Proceedings Volume 2 - PDF Free Download (2023)




3XLII INTERNATIONAL SCIENTIFIC MEETING ON INFORMATION, COMMUNICATION AND ENERGY SYSTEMS AND TECHNOLOGIES -ICEST 7- Proceedings of Papers Volume of volumes Editor: Technical editor: Edition: Press: Prof. dr. Cvetko Mitrovski Pargovski Jove Faculty of Technical Sciences - Bitola Mikena - Bitola Total edition: ISBN: CIP - Cataloging in the publications of the Main and University Library "St. Kliment Oḫridski", Bitola : 4 (63) (8) 7. 5 ( 63 ) (8 ) : (63) (8) : 4 (63) (8) (63) (8) INTERNATIONAL scientific conference on information, communication and energy systems and technologies (4 ; 7 ; Bitola) ICEST 7: proceedings / XLII international scientific meeting on information, communication and energy systems and technologies; [edited by Cvetko Mitrovski]. - Bitola: High School of Technical Sciences, 7. - St. (XVI, 43; XVI, p. ) : illustration. ; 8 cm. Notes in the text. - Bibliography con trudovite. - Registers ISBN Ch. Stv. Continuity. Proceedings - d) Industrial electronics - Control systems - Converters - Proceedings COBISS.MK - ID 86

4CONTENTS VOLUME OF MEDICAL SYSTEMS MED.S. BCI Mental Tasks Patterns Determination... P. K. Manoilov University in Rousse, Bulgaria MED.S. Investigation of signals in magnetocardiography... D. Tz. Dimitrov Technical University in Sofia, Bulgaria MED.S.3 Stimulation of neural tissue by pulsed magnetic signals... D. Tz. Dimitrov Technical University of Sofia, Bulgaria MED.S.4 Eye-Blinking Artefacts Duration Analysis... P. K. Manoilov University of Rousse, Bulgaria MED.S.5 The Web Side System for Registration and Processing Medical Data of Urological Department Patients... J. Makal, J. Bilkiewicz and A. Nazarkiewicz* Technical University (BTU), Bialystok, Poland *Provincial Integrated Hospital, Białystok, Poland MED.S.6 Laboratory Base in Web Browser for Distance Measurement... J. Makal , A Idzkowski and A. Krasowski Technical University (BTU), Bialystok, Poland MED.S.7 Electronic identification and monitoring of patient parameters... S. Ranđić, A. Peulić, A. Dostanić and M. Acović Technical Faculty, Sv. Save, Čačak, Serbia SIGNAL PROCESSING II SP II. Comparative analysis of basic self-organizing map and neocognitron for recognition of handwritten characters 477... I. R. Draganov and A. A. Popova Technical University of Sofia, Bulgaria SP II. Comparative Analysis of Integrated Calculation Algorithms in Magnetic Signal Evaluation V. Dimitrova Technical University of Sofia, Bulgaria SP II.3 Investigation of Maximum Flat Fractional Delay All-pass Digital Filters K. S. Ivanova and G. K. Stoyanov Technical University of Sofia, Bulgaria SP. Unification of deterministic and probabilistic methods in pattern recognition G. Kunev, G. Varbanov and C. Nenov Technical University of Varna, Bulgaria SP II.5 Complex Noise Analysis of Input Signal Quantization for Orthogonal Sections of a Second Order IIR Digital Filter Z. Nikolova Technical University of Sofia , Bulgaria SP II.6 Simulation of Speech Overlap Detection Algorithms S. Pleshkova-Bekiarska and D. Damyanov Technical University of Sofia, Bulgaria SP II.7 FPGA Implementation of D-DCT/IDCT for Movie Image Compression R. J.R. Struharik and I Mezei Faculty of Technical Sciences, Novi Sad, Serbia SP II.8 Algorithm for automatic fingerprint recognition based on details E. H. Mulalić, S. S. Cvetković and S. V. Nikolić University of Niš, Serbia I

5SP II.9 Performances of The Exponential Sinusoidal Audio Model... Z. N. Milivojević, P. Rajković and SM Milivojević* University of Niš, Serbia *Technical Faculty, Čačak, Serbia SP II. The rest of the snowflakes are located on ήμα τον στον κυματιδιος... M. Kostov, C. Mitrovski and M. Bogdanov* University of Bitola, Macedonia *University of Skopje, Macedonia COMPUTER SYSTEMS AND INTERNET TECHNOLOGIES IV 57 5 CSIT . GUI to web transcoding... Ts. Filev, J. Pankov and I. Pankov Technical University of Sofia, Bulgaria CSIT IV. Classification of classifiers... G. Gluhchev, M. Savov and O. Boumbarov* Bulgarian Academy of Sciences *Technical University of Sofia, Bulgaria CSIT IV.3 Methods of graphical representation of curves in CAD systems in the knitting industry... E. Iv. Zaharieva-Stoyanova Technical University of Gabrovo, Proceedings of CSIT IV.4 Theoretical Properties of HCI Membranes... N. D. Đorđević and D. D. Ranči ć University of Niš, Σερβία CSIT IV.5 Performance Analysis of a Suboptimal Multiuser Detection Algorithm G.I. Details of CSIT IV.6 Materials protected by copyright The presentation of the sculpture is presented by... S. Mladenović and S. Vesković Literature review For example, CSIT IV.7 analysis of EDCA analysis... B. Ilievski , P Faculty of Electrical Engineering, Belgrade, Serbia ** Ministry of Foreign Affairs, Belgrade, Serbia CONTROL SYSTEMS & ROBOTICS CS&R. Cascade synchronization of chaotic systems based on linear-nonlinear decomposition... D. P. Chantov Technical University in Gabrovo, Bulgaria CS&R. Application of vector control to induction motors... E. Y. Marinov, K. D. Lutskanov and Z. S. Zhekov Technical University of Varna, Bulgaria CS&R Effects of cascaded... B. Danković, D. Antić, Z. A. and D. A. (2008). Jovanović and M. Milojković University of Niš, Serbia CS&R.4 Creation of 3D environment models for mobile robots using time-of-flight (TOF) laser scanner... S. Koceski and N. Koceska University of L'Aquila, Italy CS&R . 5 Effective spontaneous snowflakes snowflakes Thanks to... B. Veselić Č. Milosavljević* University of Niš, Serbia *Faculty of Electrical Engineering, East Sarajevo, Bosnia and Herzegovina CS&R.6 Optimal control using neural networks... D. Toshkova and P. Petrov Technical University of Varna, Bulgaria II

6CS&R.7 Some discrete problems in control theory... M. B. Naumović University of Niš, Serbia 573 ENERGY TRANSMISSION AND DISTRIBUTION SYSTEMS I573 PTDS I. Algorithm for coupled electric and thermal fields in insulation of large Iârste cables. D. P. Cârstea* Faculty of Automation, Computing and Electronics. Craiova, Romania *Industrial Group of Romanian Railways PTDS I. Electric field control in connectors for high voltage cables... By I. T. Cârstea and D. P. Cârstea* Faculty of Automation, Computers and Electronics. Craiova, Romania *Industrial Group of Romanian Railways PTDS I.3 The effect of non-transited HV transmission lines on the degree of imbalance in power systems... Lj. D. Trpezanovski and M. B. Atanasovski University of Bitola, Macedonia PTDS I.4 Calculation of GIS kv insulation lines using the hybrid BEM-FEM method... H. Zildžo and H. Matoruga Faculty of Electrical Engineering, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina PTDS.5 Evaluation of air parameters transmission line under the influence of lightning... M. G. Todorova and M. P. Vasileva Technical University of Varna, Bulgaria PTDS I.6 Calculation and analysis model of fence grounding in medium voltage substations... N. Acevski and M. Spirovski University in Bitola, Macedonia QUALITY OF EDUCATION I EQ I. Creating Meaning through e-Learning B. Gradinarova and Y. Gorvits* Varna Technical University, Bulgaria *ORACLE 5, Moscow, Russia EQ I. Software Engineering e-Learning Mathematics Software B Fetaji, S. Osmani* and M Fetaji Faculty of Communication Sciences and Technologies, Tetovo, Macedonia *IT center-seeu, Tetovo, Macedonia EQ I.3 Combination of virtual learning environment and integrated development environment for improving e-learning M Fetaji, S. Loskovska* and B. Fetaji Faculty of Communication Sciences and Technology, Tetovo, Macedonia *University of Skopje, Macedonia EQ I.4 Program for searching information about e-learning software B. Fetaji and M. Fetaji Faculty of Communication Sciences and Technologies, Tetovo, Macedonia EQ I.5 Problems in distance learning... 6 V. Aleksieva Technical University of Varna, Bulgaria EQ I.6 Roles of colors in the construction of multimedia presentation P. Spalevic, B. Miloševic*, K Kuk** and G. Dimic** Faculty of Technical Sciences, Kosovska Mitrovica, Serbia * University of Niš, Serbia **High School of Electrical Engineering, Belgrade, Serbia ELECTRONIC COMPONENTS, SYSTEMS AND TECHNOLOGIES AND ECST I. Synthesis of DCS in copper metallurgy ... D. R. Milivojević, V. Tasić, M. Pavlov and V. Despotović Institute for Copper, Bor, Serbia 69 III

7ECST I. Removal of electric current interference from ECG in the case of non-multiple uniform sampling G. S. Mihov and I. A. Dotsinsky* Technical University of Sofia, Bulgaria *Bulgarian Academy of Sciences ECST I.3 Synthesis of sine signals based on direct digital synthesis using programmable Field Arrays door H. Z. Karailiev and V. V. Rankovska Technical University of Gabrovo, Bulgaria ECST I.4 Negative impedance converter improves capacitance converter V. D. Draganov, Z. D. Stanchev and I. T. Tanchev Technical University of Varna, Bulgaria ECST I. Goriva. Systems an Overwiev Z. S. Mladenovski*, G. L. Arsov and J. Kosev *COSMOFON A.D. Skopje, Macedonia University of Skopje, Macedonia ECST I.6 Development and use of a communication driver for serial communication between computers and industrial PLCs Z. M. Milić, P. B. * and M. Lj. Sokolović* Tigar MH, Pirot, Serbia *University of Niš, Serbia ECST I.7 Spice Model of Magnetic Sensitive MOSFET N. Janković, T. Pesić and D. Pantić University of Niš, Serbia ECST I.8 Reduced Data Sampling Application in PIC Microcontroller M. I. Petkovski and C. D. Mitrovski University of Bitola, Macedonia ENERGY TRANSMISSION AND DISTRIBUTION SYSTEMS II & ELECTRICAL MACHINES PTDS&EM. High Voltage Signal Generator, Fast for Low Emission Electron Gun M. Paraliev Institut Paul Scherrer, Villigen, Switzerland PTDS&EM. Effect of Drilling on High Power Bolted Joints R. T. Tzeneva and P. D. Dineff Technical University of Sofia, Bulgaria PTDS&EM.3 Effect of Supply Voltage Unbalance on Cage Induction Motor Operation G. I. Ganev and G. T. Todorov Sofia&DS, Bulgaria Technical University of Bulgaria . 4 Monitoring of the quality of electricity in the supply of electricity Tz. B. Tzanev, S. G. Tzvetkova and V. G. Kolev Technical University of Sofia, Bulgaria PTDS&EM.5 Algorithm for optimization of asynchronous motor efficiency based on loss model and torque reserve control B. Blanuša, P. Matić, Ž. Ivanović and S. N. Vukosavić* Faculty of Electrical Engineering, Banja Luka, Bosnia and Herzegovina * Faculty of Electrical Engineering, Belgrade, Serbia PTDS&EM.6 Calculation of electromagnetic forces and moments in a hyperlinear magnetic separator, M.Devskarapni University, M.Devskarapni University S NATION QUALITY II EQ II. Study of frequency modulation in MATLAB environment... V. M. Georgieva Technical University of Sofia, Bulgaria EQ II. An application development approach for virtual laboratory access... J. Djordjević-Kozarov, M. Jović* and D. Janković University of Niš, Serbia *University of Lugano, Switzerland EQ II.3 Using Virtual Reality Environments for Training Purposes in Care Institutions. .. E. Maier, M. Dontschewa and G. Kempter UCT- Research, FHV, Dornbirn, Austria IV

8EQ II.4 How to make a good scientific presentation... S. S. Cvetković and S. V. Nikolić University of Niš, Serbia EQ II.5 Re-evaluation and replacement of terms in sampling theory... P. Tz. Petrov Microengineering, Sofia, Bulgaria EQ II.6 SWOT analysis of a method for automatic vectorization of digital photos into a 3D model... Z. G. Kotevski and I. I. Nedelkovski University of Bitola, Macedonia ELECTRONIC COMPONENTS, SYSTEMS AND TECHNOLOGIES IIECNOLOGY. Pulse Process Monitoring System in Milking Machine... 7 A. T. Aleksandrov and N. D. Draganov Technical University of Gabrovo, Bulgaria ECST II. Method for improving the stability of CMOS voltage-controlled ring oscillators G. Jovanović and M. Stojčev University of Niš, Serbia ECST II.3 Load characteristics under optimal path control of resonant DC/DC converters operating above the resonant frequency N. D. Bankov. Gr. Grigorova* University of Food Technology, Plovdiv, Bulgaria *Technical University of Sofia, Plovdiv Branch, Bulgaria ECST II.4 Modeling of the optimal path control system of resonant DC/DC converters operating above the resonant frequency N. D. Bankov and Ts. Gr. Grigorova* University of Food Technology, Plovdiv, Bulgaria *Technical University of Sofia, Plovdiv Branch, Bulgaria ECST II.5 Comparison of temperature-dependent noise models of microwave FETs Z. D. Marinković, V. V. Marković and O. R. Pronić University of Niš6, ECST II . Power Losses and Applications of Nanocrystalline Magnetic Materials V. C. Valchev, G. T. Nikolov, A. Van den Bossche* and D. D. Yudov** Technical University of Varna, Bulgaria *EELAB EESA Firw8 UGENT, Belgium **Bourgas Free University, Bourgas, Bulgaria ECST II. 7 Multilevel electronic transformer D. D. Yudov, A. Iv. Dimitrov, V. C. Valchev* and D. M. Kovatchev* Bourgas Free University, Bourgas, Bulgaria *Varna Technical University, Bulgaria ECST II.8 Approach to increasing the efficiency of SPICE macromodels E. D. Gadjeva, B. I. Mihova and V. G. Sosterafi Technical University Bulgaria SESSIONS PO I - SIGNAL PROCESSING PO I. Image Filtering and Scaling Algorithms... S. G. Mihov and G. S. Zapryanov Technical University of Sofia, Bulgaria PO I. System for Spectral Signal Research... S. V. Kolev, I. V. Ivanova and Y. S. of Sofia, Bulgaria PO I .3 Design and implementation of a first-order sigma-delta modulator... S. D. Terzieva, G. T. Tsenov, P. I. Yakimov and V. M. Mladenov Technical University of Sofia, Bulgaria PO I.4 Recovery of an optical image transmitted through a turbulent atmosphere. .. K. L. Dimitrov Technical University in Sofia, Bulgaria V

9PO I.5 PO I.6 CATV Systems - Identification of Volterra Cores... O. B. Panagiev and K. L. Dimitrov Technical University of Sofia, Bulgaria Comments on the Oversampling and Averaging Method for Additional Resolution Bits... P. Tzv. Petrov Micro Engineering-Sofia, Bulgaria PO II - ELECTRONIC COMPONENTS, SYSTEMS AND TECHNOLOGIES PO II. PSPICE Simulation of Optoelectronic Pulse Circuits E. N. Koleva and I. S. Kolev Technical University of Gabrovo, Bulgaria PO II. Temperature Profile of Pulse Discharge I. P. Iliev and S. G. Gocheva-Ilieva* Technical University of Sofia, Bulgaria, Plovdiv Branch * University of Plovdiv, Bulgaria PO II.3 Simulation Investigation of Frequency-Sensitive Digital Phase Detectors A. H. Yordanov, University of Mihovfia and G. , Bulgaria PO II.4 Voltage Scale D/A Converter Analysis and Practical Design Considerations D. P. Dimitrov Melexis-Bulgaria Ltd, Sofia, Bulgaria PO II.5 Mechanical Properties of Electrical Thin Films S. Letskovska and P. Rahnev Burgas Free University, Burgas, Bulgaria PO II. 6 Improved IGBT behavioral PSpice macromodel Ts. Gr. Grigorova and K. K. Asparuhova Technical University of Sofia, Bulgaria PO II.7 Stochastic model of the effects of gamma radiation on the threshold voltage of MOS transistors M. T. Odalović and D. M. Petković Faculty of Science and Mathematics, Serbia Gesovska Mitrovic II. Considerations related to the planetary movement of the substrate during corrosion S. Pavlov and D. Parashkevov Assen Zlatarov University, Bourgas, Bulgaria PO II.9 Program Calculation of thin film thickness in the case of parallel arrangement of the target substrate D. D. Parashkevov, Assen Zlatgasrov University Bulgaria PO III - ELECTRONIC COMPONENTS, SYSTEMS AND TECHNOLOGIES & INDUSTRIAL ELECTRONICS PO III. Automatic food product quality classifiers Speed ​​Problems... A. S. Georgiev, L. F. Kostadinova and R. N. Gabrova University of Food Technologies, Plovdiv, Bulgaria PO III. Computer Aided Engineering Using OrCAD... D. M. Kovatchev, E. Dimitrova and V. C. Valchev Varna Technical University, Bulgaria PO III.3 Magnetron Dielectric Barrier Air Discharge at Low Frequency... P. D. Dineff and D. N. Gospodinova Sofia Technical University , Bulgaria PO III.4 Application of the CFD method for heat transfer simulation... A. V. Andonova and N. M. Kafadarova Sofia Technical University, Bulgaria PO III.5 Laser modeling in the Q-coupler regime... I. Veselinović, M. Srećković and B Veselinović* University of Belgrade, Serbia *Vinča Institute of Nuclear Sciences, Belgrade PO III.6 Modeling of quantum generators and amplifiers in semiconductor materials... B. Veselinović, M. Srećković*, I. Veselinović* and M. Vlajnić ** Vinča Institute of Nuclear Sciences, Belgrade, Serbia * University of Belgrade, Serbia **YUBC System A.D., Belgrade, Serbia VI

10PO III.7 PO III.8 PO III.9 Analysis of electrical and thermal characteristics of thermal switches A. Prijić, Z. Prijić, B. Pešić, D. Pantić and S. Ristić University of Niš, Serbia Macromodel for CMOS analog switches Detection temperature effect I. M. Pandiev Technical University of Sofia, Bulgaria Microstructure and optical properties of ITO thin films tested for thermal mirrors in solar collectors G. H. Dobrikov, M. M. Rassovska, S. I. Boiadjiev, K. A. Gesheva*.*. Technical University of Sofia, Bulgaria *Bulgarian Academy of Sciences ** acad. Mr. Bonchev, Sofia, Bulgaria PO IV - COMPUTER SYSTEMS AND INTERNET TECHNOLOGIES PO IV. Automatic Weight Estimation Method for Multiple SVMs in Software Sensor Systems P. Ts. Andreeva and S.I. Vassileva Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria PO IV. Improving Fairness for Pedestrian Users of CDMA-HDR Networks Southwest University V. P. Hristov, Blagoevgrad, Bulgaria PO IV.3 Web Application of the Traveling Salesman Problem Using Genetic Algorithms M. N. Karova, J. P. Petkova and S. P. Penev Technical University of Varna, Bulgaria4 POIV. Performance Study of Executable Systems for Distributed Time Warp Simulation H. G. Valchanov, N. S. Ruskova and T. I. Ruskov Technical University of Varna, Bulgaria PO IV.5 Genetic Algorithms in Solving Multiobjective Optimization Problems H. I. Toshev and Ch. D. Korsemov Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria PO IV.6 Application of Tabu - Search Heuristics for Software Clustering Problem V. T. Bozhikova and M. Ts. Stoeva Technical University of Varna, Bulgaria PO IV.7 A New Approach to the Description of Spatial Location Symbols of Extended Objects in Spatial Databases M. Stoeva and V. Bozhikova Varna Technical University, Bulgaria PO IV.8 Online Course for Development, Implementation and Management of a Secure Portal in OracleAS Portala g V. R. Antonova and P. T. Antonov Technical University of Varna, Bulgaria PO IV.9 E-business models in transport D. D. Marković, B. V. Stanivuković and M. J. Dobrodolac, PO V Belgrade - CONTROL SYSTEMS & ROBOTICS PO V. PO V. PO V. 3 PO V.4 PO V.5 Application of the Kalman filtering technique to increase the probability of failure detection in test equipment A. D. Tanev and A. Vl. Andonov Higher School of Transport, Sofia, Bulgaria Situational control of RADAR I. E. Korobko Technologies of Sofia, Bulgaria Control systems with frequency converters save energy in the food industry L. F. Kostadinova, R. N. Gabrova and A. S. Georgiev University of Food Technologies, Multi-channel Bulgaria, Plovdiv System wireless ECG Y. S. Velchev Technical University of Sofia, Bulgaria Heart rate measurement system Y. S. Velchev Technical University of Sofia, Bulgaria VII

11PO V.6 Robust Estimators Based on Two-Stage Method for Closed-Loop Identification N. R. Atanasov Technical University of Varna, Bulgaria PO V.7 Scalable Modular Control Architecture for Walking Machines... 9 M. S. Milushev, N. V. Krantov and V. Zerbe * Technical University of Sofia, Bulgaria * Technical University of Ilmenau, Germany PO V.8 Evaluation of Fluid Muscles for a Walking Machine Driver M. S. Milushev, D. I. Diakov, V. K. Georgieva and N. T. Pavlovic Technical University of Sofia, Bulgaria * University of Niš, Serbia

12SESSION MED. With medical systems


14BCI Mental Tasks Patterns Determination Plamen K. Manoilov Abstract Η διεπαφή υπολογιστή εγκεφάλου (BCI) είναι μια βοηθητική συσκευή, η οποία μεταφράζει τις επιθυμίες του χρήστη στις εντολές της συσκευής. Το BCI είναι η μόνη δυνατότητα για εντελώς παράλυτους (κλειδωμένους) ανθρώπους να αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους. Όταν το υποκείμενο εκτελεί διαφορετικές νοητικές εργασίες ο εγκέφαλός του εκδίδει σήμα ΗΕΓ με διαφορετικά μοτίβα. Τα BCI που βασίζονται στην προσέγγιση αναγνώρισης προτύπων ταξινομούν την εγκεφαλική δραστηριότητα σε διαφορετικές νοητικές εργασίες και με αυτόν τον τρόπο κάνει έναν έλεγχο πολλαπλών καναλιών. Σε αυτή την εργασία περιγράφεται η εύρεση μοναδικών χαρακτηριστικών 5 ομάδων νοητικών εργασιών. Λέξεις-κλειδιά BCI, ανάλυση ΗΕΓ, νοητική εργασία, αναγνώριση προτύπων, φάσμα ισχύος I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η σημερινή γνώση σχετικά με τη λειτουργία του εγκεφάλου δεν ανταποκρίνεται στην περίπτωση για να μαντέψει τις σκέψεις του υποκειμένου μετά την ανάλυση του ΗΕΓ του. Τα πρωτότυπα BCI καθορίζουν την πρόθεση του χρήστη από μια ποικιλία διαφορετικών ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων. Μεταφράζονται σε πραγματικό χρόνο σε εντολές που χειρίζονται μια οθόνη υπολογιστή ή άλλη συσκευή [5]. Για την επιτυχή λειτουργία απαιτείται ο χρήστης να κωδικοποιεί εντολές σε αυτά τα σήματα και ότι το BCI αντλεί τις εντολές από τα σήματα. Σε ορισμένα BCI τα μοτίβα είναι αποτέλεσμα του νοητικού φορτίου του υποκειμένου []. Το υποκείμενο εκτελεί διαφορετικές νοητικές εργασίες, με αποτέλεσμα αλλαγές της ισχύος διαφορετικών συχνοτήτων σε διαφορετικές ζώνες του τριχωτού της κεφαλής. Οι αλλαγές της ισχύος είναι σε μεγάλη κλίμακα όταν ο χρήστης είναι πιο συγκεντρωμένος. Η σύγκριση γίνεται με το φάσμα ισχύος των υποκειμένων EEG κατά την εκτέλεση της λεγόμενης εργασίας Baseline task, task. Η βασική εργασία ορίζεται σαν να μην κάνεις διανοητικά τίποτα. Όταν το άτομο δεν κάνει τίποτα, η ισχύς της άλφα εγκεφαλικής του δραστηριότητας έχει μέγιστες τιμές. Εάν οι νοητικές εργασίες επιλεχθούν σωστά, οι αλλαγές του φάσματος ισχύος για καθεμία από αυτές είναι διαφορετικές ή εκδίδονται από διαφορετικούς χώρους του εγκεφάλου. Αυτό δίνει τη δυνατότητα με τη βοήθεια ενός ταξινομητή να δεσμευτεί η συγκεκριμένη εργασία με την αλλαγή του φάσματος ισχύος (μοτίβο). Αυτός ο τύπος συσκευών είναι γνωστοί ως BCI που βασίζονται στην αναγνώριση προτύπων. Το μοτίβο για κάθε εργασία διαμορφώνεται από τα κανάλια (ηλεκτρόδια) και τις συχνότητες όπου συμβαίνουν οι πιο ευδιάκριτες αλλαγές. Ο Plamen K. Manoilov συνεργάζεται με το Τμήμα Τεχνολογίας και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, RU A. Kanchev, 8 Studentska Str., Rousse, Bulgaria, II. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ Η μελέτη συνεχίζει την εργασία σε ένα έργο για τη δημιουργία ενός BCI, το οποίο ξεκίνησε στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, στο Ντελφτ, Ολλανδία σε 4, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Dr. Dr. Leon Rothkrantz, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Μαθηματικών και Επιστήμης Υπολογιστών. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ετοιμάστηκε μια βάση δεδομένων με δεδομένα EEG 4 συνεδριών, περίπου λεπτών η καθεμία, που καταγράφηκαν από δύο άτομα (άρρενες, 5 και 3) για χρήση μαζί με ένα εργαλείο για στατιστική ανάλυση (R, MATLAB). Το δεύτερο στάδιο ήταν η επεξεργασία του ΗΕΓ από τη βάση δεδομένων και η εύρεση (αν είναι δυνατόν) ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού για κάθε νοητική εργασία. Μετά την ταξινόμηση των εργασιών, ορισμένες από αυτές με πιο ξεκάθαρα και καλά εκφρασμένα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να επιλεγούν για χρήση στον έλεγχο BCI. Μελετήθηκε η εγκεφαλική δραστηριότητα του εύρους α (8 3 Hz). Όλα τα ΗΕΓ καταγράφηκαν χωρίς καμία βιοανάδραση. Σε αυτή τη μελέτη εξετάζονται μόνο πέντε διαφορετικές εργασίες ομάδων: Περιστροφή φαντασίας, εργασία 8, Υπεραερισμός, εργασία 9, Οπτική παρουσίαση του..., εργασία 3Χ, Ακουστική παρουσίαση του..., εργασία 4Χ, Οπτική και ακουστική παρουσίαση του... ., εργασία 5Χ. Κάθε διψήφια εργασία περιλαμβάνει 4 δευτερεύουσες εργασίες: παρουσίαση ενός κίτρινου τριγώνου, εργασία Χ, παρουσίαση πράσινης κουκκίδας, εργασία Χ, παρουσίαση κόκκινου σταυρού, εργασία X4 και παρουσίαση μπλε γραμμών, εργασία X6. Οι φιγούρες παρουσιάζονται στο άτομο οπτικά στην οθόνη του υπολογιστή και ακουστικά από τα μεγάφωνα. Κάθε εργασία εκτελείται πολλές φορές ανά συνεδρία. Οι εργασίες διαδέχονται η μία την άλλη με ψευδοτυχαία σειρά για να αποφευχθεί η εξοικείωση του θέματος. Το πρόγραμμα πειράματος έχει προγραμματισμένα διαστήματα μεταξύ των εργασιών, όπου το θέμα επιτρέπεται να αναβοσβήνει. Ως σύστημα συλλογής δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το TruScan 3 EEG στα πειράματα. Περιλαμβάνει καπάκι EEG με ηλεκτρόδια χλωριούχου αργύρου, τοποθετημένα σύμφωνα με το διεθνές - σύστημα, ενισχυτή EEG και προσαρμογέα EEG. Η απαιτούμενη χαμηλή αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων επαφής - δέρματος βελτιώθηκε με τη χρήση ηλεκτροτεχνικής γέλης και ελεγχόταν κατά τη διαδικασία εγγραφής. Το σήμα EEG φιλτραρίστηκε και δειγματοληψία στα 56 Hz. Χρησιμοποιήθηκε FireBird DBMS. Το Matlab χρησιμοποιήθηκε ως εφαρμογή επεξεργασίας δεδομένων. Η σύνδεση μεταξύ τους γίνεται με πρωτόκολλο ODBC. 45

15Determination of patterns of BCI mental tasks III. EEG ANALYSIS The goal of the preliminary selection is to determine the frequencies and channels in which the power spectrum changes the most during the performance of mental tasks according to (). The comparison is made with the power spectrum of the basic operation. B R D( k) = Pav ( k) Pav ( k), () where D is the power spectrum difference. B P av - average power area of ​​basic work (work or ), calculated according to () B M B B Pav = B P ( k, m) () M m= R P av - average power area of ​​performed work (every work except i ) according to (3) R M R R Pav = R P ( k, m) (3) M m= P B ( k, m) and P R ( k, m) - power spectra of the basic and performance tasks according to (4) * P( k, t) = GD ( k, t) GD ( k, t) (4) where G D + g i.. p. fa. t ( f, t) = x( t ) ( t t) e dt (5) D is the Gabor transform. The time step is half the length of the segment - *, Fig. 5. B R M and M - EEG segment numbers for base B R and current task. M M is possible. M = (l / sl), where l is the length of the analyzed segment. As the absolute forces differ across the channels, the relative difference between the forces is calculated. Artifacts (EOG) and more precisely blinking subjects, affect the selected frequency range of 8-3 Hz, their power spectrum was examined []. It was decided to cut out the parts of the EEG that contained cilia. The existing database is quite large. No important data can be lost. The selection of EOG artifact-free segments was easy to automate, given the experimental layout. The duration of the flash interval pollution depends on the user [3, 4]. For items in the range of approx.8-. s before and.9-.5 s after the flash time of maximum amplitude. For the subject, the prices are respectively.-. s before and.9-.5 s after the maximum amplitude flash. This was used to properly cut the infected parts. The amplitude of the alpha rhythm is greater when the subject is in a state of physical rest and in a relatively inactive mental state. It is partially or completely blocked by any mental effort. Mu-rhythm is partially or completely blocked by movement or the thought of movement. Fig.. Plots of the absolute, μv /Hz, and relative, %, difference between the power spectra of the basic task and task 8. Here and throughout this paper:,,,,, Fig. Graphs of the absolute, μv /Hz and relative, %, difference between the baseline task and the task 9 45 power spectrum

16Imaginary rotation, task 8, in relation to the basic work, Power difference graphs for task 8, Imaginary shape rotation, are shown in the figure. From the graph above, it could be seen that the absolute difference between the forces of basic work and work 8 increases from the frontal to the occipital parts of the scalp. Typical channels with noticeable variations are P3, T4, T5, T6, O, O. However, the graph in the figure below shows that the relative power difference is almost equal. The results are summarized in the table. Features for both themes are different. Subject sensitive channels for the α-rhythm move to the parietal part of the scalp, the μ-rhythm occurs more on the right side of the scalp. Plamen K. Manoilov Hyperventilation, task 9, compared to the basic task, the result of the power difference analysis of task 9, fig., is quite different. The variance between the forces of the basic task and task 9, hyperventilation, is negative. This effect comes after a relatively long (-3 seconds) ventilation of the lungs. It is impossible to encounter this state in normal human life, especially in a person in prison, unless it is artificially induced. Brain activity is clearly expressed in the central and parietal part of the scalp at the lower frequencies of the range. Changes greater than 5% can be observed. There are differences in spatial arrangement between the two subjects. Visual presentation, 3X tasks, versus the baseline task, the fourth object presented has a similar effect on subjects. The drop in power is best expressed in tasks 3 and 34 (Visual representation of the yellow triangle and the red cross). The presentation of the green dot gives the worst results - 5 times less than the relative difference for the subject. Figure 4. Plots of the absolute, μv /Hz and relative, %, difference between the baseline task and the power spectrum of task 34 Subject shows no significant difference in brain patterns for the different displayed objects. Sensitive frequencies are - Hz more than the subject. Audio Presentation, 4X Tasks, Task vs. Baseline, The graphs for Task 4 are shown in Figure 5. The audio presentation elicited milder responses in both subjects. Figure 3. Graphic representation of the absolute, μv /Hz, and relative, %, difference between the power spectra of the basic task and task 3. Figure 5. Graphic representation of the absolute, μv /Hz, and relative, % difference between the power spectra of the basic task and task 4 453

17Standardization of BCI mental tasks No different characteristics for different presented objects. Activity in the temporal lobe was observed at T5 and T6 for the subject and at T6 for the subject. Audiovisual presentation, 5X tasks, in relation to the basic task, audiovisual presentation combines the features of visual and audio presentation. Activity is observed in the temporal and occipital part of the scalp. expressed patterns. Choosing the right shape and color for each item is key to achieving the best results. 5. Of the three groups of tasks 3X, 4X, 5X, its visual representation is the most useful for use in BCI. Features can be achieved by self-assembly. No outside help is needed. In the next phase of the work, the stability of the characteristics during the execution of each mental task will be studied. After determining the time period of the best expressed plan, the final choice of mental work could be made. TABLE AND SUMMARY OF CHARACTERISTICS OF MENTAL TASKS Figure 6. Diagrams of absolute, μv /Hz, and relative, % difference between the power spectrum of the basic task and task 5 IV. CONCLUSIONS The following conclusions can be drawn: Unlike the other tasks, task 8, Rotation of an imaginary shape, changes the μ-velocity and α-velocity on the frontally placed electrodes. It has a unique feature. The user will have to use to achieve this state in a short time. Compared to the other tasks, Hyperventilation, task 9, is unusual. In order to achieve a state of hyperventilation, it is necessary to fry for a long time. The task is not useful for trivial verification. The well-defined and quite different features of task 9 can be used to enable/disable BCI. As this situation does not exist in normal life, mistakes are not possible. 3. Changes in power spectra as a result of performing mental tasks are individual for each subject. In BCI, control of appropriate frequencies for each user should be ensured. 4. The presentation of different geometric shapes and colors does not result in different patterns, but has more or less marked designs for each object. Signal colors, teasing the topic, give more clarity Task Imagination Spin, task 8 Hyperventilation, task 9 Visual presentation, tasks 3, 3, 34, 36 Audio presentation, tasks 4, 4, 44, 46 Audio-visual presentation, tasks 5 , 5 , 54, 56 Sub. Rhythm channel: Frequency [Hz] α F8, P3, T4, T5, T6, O, O: 8, 9 μ C3, P3: 9 α F8, P3, Pz, P4, T6: 9-μ C3, Cz, C4 , P3, P4 : 9- and Fp, C3, Cz, P3, Pz, P4, T3 : 8 and Fp, F3, Fz, F4, C3, Cz, P3, Pz, P4, T6 : 8, 9, and P3 , T5, T6, O, O : 8, 9 a O, O : 9, a T5, T6 : 8 - a T6 : 9 a O, O, T4, T6 : 8- a O, O, T4, T6 : 8-3 REFERENCES [] Babiloni F., F. Cincotti, L. Lazzarini, J. Millan, J. Mourinho, M. Varsta, J. Heikkonen, L. Bianchi, M. G. Marciani, Linear classification of low-resolution EEG patterns produced by imaginary hand movements, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, vol. 8(),, str [] Manoilov P. K., EEG Eye-Blinking Artefacts Power Spectrum Analysis, Proceedings of the International Conference on Computer Systems and Technologies CompSysTech 6, V.Tarnovo, Bulgaria, June 5-6, 6, pp IIIA.3 - IIIA.3-5. [3] Manoilov P. K., Electroencephalogram electrooculographic artifacts analysis, Proceedings of the National Conference with an International Participation, ELECTRONICS 6, - June, 6 pp [4] Manoilov P. K., M. P. Iliev, EOG artifacts duration analysis, Proceedings of Fifteenth International Scientific and Applied scientific conference Electronics 6, September 6, Sozopol, Bulgaria, p [5] Wolpaw J. R., Brain-computer interface technology: A Review of the First International Meeting, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, vol. 8, p

18Διερεύνηση των σημάτων στη μαγνητοκαρδιογραφία Δημήτρης Τζ. Dimitrov Περίληψη Ο κύριος σκοπός αυτής της εργασίας είναι να συζητήσει τα συστήματα ηλεκτροδίων που εφαρμόζονται επί του παρόντος στην ανίχνευση του ισοδύναμου μαγνητικού διπόλου της καρδιάς και να συζητήσει εν συντομία τη σχέση μεταξύ των σημάτων στις περιπτώσεις ΗΚΓ-MCG Λέξεις-κλειδιά Magnetocardiography, elektrokardiography I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γνωστό ότι στο ηλεκτροκαρδιογράφημα, η χαρτογράφηση της κατανομής του ηλεκτρικού δυναμικού στην επιφάνεια του θώρακα εφαρμόζεται από την πρώτη ανίχνευση του ανθρώπινου ηλεκτροκαρδιογραφήματος. Παρόμοια είναι και στη μαγνητοκαρδιογραφία. Αν και το μαγνητικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό μέγεθος και επομένως έχει τρεις συνιστώσες σε κάθε θέση στο χώρο, η μέθοδος χαρτογράφησης συνήθως εφαρμόζεται για την καταχώριση μόνο ενός συστατικού (το x-συστατικό) του μαγνητικού πεδίου γύρω από τον θώρακα. Η χαρτογράφηση έχει γίνει συνήθως σε ένα συγκεκριμένο πλέγμα. Στη θεωρία πεδίου μολύβδου, μπορεί να αποδειχθεί ότι τα συστήματα ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται στη χαρτογράφηση συχνά εισάγουν μια παραμόρφωση του σήματος που αναγκαστικά προέρχεται από την ομοιογένεια του αγωγού όγκου. (Η κατάσταση είναι η ίδια όπως στην χαρτογράφηση του πεδίου ηλεκτρικού δυναμικού.) Μερικές από αυτές τις μαγνητικές μετρήσεις μπορούν επίσης να πραγματοποιηθούν με παρόμοια κατανομή ευαισθησίας με τη χρήση ηλεκτρικών μετρήσεων με υψηλότερο λόγο σήματος προς θόρυβο και με ευκολότερη εφαρμογή (Εικ. ). II. ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΑΓΝΗΤΟΚΑΡΔΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Εκτός από την ανάλυση των παραμέτρων των σημάτων MCG, που καταγράφονται είτε με τον προσδιορισμό του ισοδύναμου μαγνητικού διπόλου είτε με τη μέθοδο χαρτογράφησης, έχουν εφαρμοστεί και αρκετές άλλες τεχνικές. Από αυτές, ο εντοπισμός των καρδιακών πηγών συζητείται εν συντομία εδώ. Ο εντοπισμός των καρδιακών ηλεκτρικών πηγών είναι ένας ιδιαίτερα επιθυμητός στόχος, καθώς μπορεί να επιτρέψει τον εντοπισμό καρδιακών ανωμαλιών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των ανώμαλων οδών αγωγιμότητας. Αυτά μπορεί να προκαλέσουν επικίνδυνες αρρυθμίες ή να συμβάλουν σε μείωση της καρδιακής απόδοσης. Οι μη φυσιολογικές οδοί αγωγιμότητας, για παράδειγμα, διεξάγουν ηλεκτρική δραστηριότητα από τον κολπικό μυ απευθείας στον κοιλιακό μυ, παρακάμπτοντας την κολποκοιλιακή σύνδεση. Αυτό ονομάζεται Wolff-Parkinson-White ή(wpw) Dimter Tz. Ο Dimitrov είναι από το Faculty of Communication Technique and Technologies, Technical University of Sofia, Bulgaria, Sofia, 8, Kliment Ohridsky, syndrome.εάν υπάρχει επίσης οδός ανάδρομης αγωγιμότητας από την κοιλιακή μάζα πίσω στην κολπική μάζα , αυτή η διαδρομή επανεισόδου μπορεί να οδηγήσει σε ταχυκαρδία. Εάν τα συμπτώματα που οφείλονται σε αυτή την ανώμαλη αγωγιμότητα δεν ανταποκρίνονται στα φάρμακα, τότε ο ιστός που σχηματίζει την ανώμαλη οδό πρέπει να αφαιρεθεί χειρουργικά, επομένως απαιτείται εκ των προτέρων εντοπισμός. Στην κλινική πράξη, οι οδοί αγωγιμότητας εντοπίζονται προς το παρόν επεμβατικά με καθετήρα σε μια ηλεκτροφυσιολογική μελέτη, η οποία μπορεί να διαρκέσει αρκετές ώρες. Αυτός ο χρόνος μπορεί να μειωθεί κάνοντας πρώτα έναν αρχικό μη επεμβατικό εντοπισμό της ισοδύναμης πηγής της οδού αγωγιμότητας από τα ηλεκτρικά δυναμικά στην επιφάνεια του θώρακα. Εικ. Η ομοιότητα μεταξύ των πεδίων μολύβδου ορισμένων ηλεκτρικών και μαγνητικών απαγωγών απεικονίζεται. Εάν το μαγνητικό πεδίο μετρηθεί σε τέτοιο προσανατολισμό (στην κατεύθυνση χ σε αυτό το παράδειγμα) και θέση, ώστε ο άξονας συμμετρίας βρίσκεται μακριά από την περιοχή της καρδιάς, το μαγνητικό πεδίο ηλεκτροδίου στην περιοχή της καρδιάς είναι παρόμοιο με το ηλεκτρικό καλώδιο πεδίο ενός ηλεκτροδίου, το οποίο είναι προσανατολισμένο κάθετα προς τον άξονα συμμετρίας του μαγνητικού ηλεκτροδίου. Αυτή η ομοιότητα μπορεί επίσης να επαληθευτεί από την ομοιότητα των αντίστοιχων ανιχνευόμενων σημάτων. Στον μαγνητοκαρδιογραφικό εντοπισμό ο στόχος είναι να εισαχθεί μια εναλλακτική στον ηλεκτρικό εντοπισμό χρησιμοποιώντας τις μαγνητικές μεθόδους. Η χρήση αυτής της συμπληρωματικής τεχνικής μπορεί να βελτιώσει τη συνολική ακρίβεια εντοπισμού. Ο μαγνητοκαρδιογραφικός εντοπισμός γίνεται συνήθως με χαρτογράφηση της συνιστώσας χ του καρδιακού μαγνητικού πεδίου σε 3-4 θέσεις στην πρόσθια επιφάνεια του θώρακα με διαδοχικές μετρήσεις χρησιμοποιώντας μαγνητόμετρο μονού καναλιού ή ταυτόχρονα με πολυκάναλο μαγνητόμετρο. Το διπολικό μοντέλο είναι το πιο προφανές για χρήση ως μοντέλο πηγής για τις μεθόδους εντοπισμού. Η ακρίβεια του μαγνητοκαρδιογραφικού εντοπισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακρίβεια του μοντέλου αγωγού όγκου που εφαρμόζεται.

19Διερεύνηση σημάτων στη μαγνητοκαρδιογραφία cm. Επειδή ο μαγνητοκαρδιογραφικός εντοπισμός έχει αποδειχθεί ότι έχει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και κόστος σε σύγκριση με την ηλεκτρική μέθοδο, η μαγνητική μέθοδος, προς το παρόν, δεν ανταγωνίζεται την ηλεκτρική μέθοδο στην κλινική πράξη III. ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΟΣ ΚΑΡΔΙΑΣ Σύστημα ανίχνευσης της μαγνητικής διπολικής ροπής μιας πηγής όγκου. Τρία τέτοια ορθογώνια εξαρτήματα αποτελούν το πλήρες σύστημα ηλεκτροδίων. Μια φυσική μέθοδος για την υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος ηλεκτροδίων είναι να κάνετε είτε μονοπολικές είτε διπολικές μετρήσεις στους άξονες συντεταγμένων (Εικ.3). Είναι δυνατόν να υποθέσουμε ότι η καρδιά είναι μια σφαιρική αγώγιμη περιοχή μεταξύ των μονωτικών πνευμόνων. Για τα συστήματα ηλεκτροδίων XYZ και ABC θα ήταν αρκετό να υποθέσουμε την κυλινδρική συμμετρία για κάθε εξάρτημα, η οποία οδηγεί σε έναν σφαιρικά συμμετρικό αγωγό όγκου για τις τρεις ορθογώνιες μετρήσεις. Οι συνιστώσες u και z του συστήματος μονοθέσιων ηλεκτροδίων απαιτούν, ωστόσο, μια υπόθεση μια αγώγιμη σφαιρική περιοχή της καρδιάς μέσα στους μονωτικούς πνεύμονες. Αυτή η υπόθεση αναγκάζει τα πεδία μολύβδου να ρέουν εφαπτομενικά εντός της περιοχής της καρδιάς. Αυτό ονομάζεται αποτέλεσμα αυτοκεντρισμού. Η μαγνητική διπολική ροπή μιας κατανομής ρεύματος όγκου Jr σε έναν άπειρο, ομοιογενή αγωγό όγκου σε σχέση με μια αυθαίρετη αρχή μπορεί να οριστεί ως: r r r m = rxjdv όπου: m r είναι η μαγνητική διπολική ροπή. J r είναι η πυκνότητα της κατανομής του ρεύματος όγκου r είναι η ακτίνα ενός αυθαίρετου αγωγού ρεύματος v είναι ο όγκος υπολογισμού Το σύστημα απαγωγής που ανιχνεύει αυτή τη μαγνητική διπολική ροπή έχει τρεις ορθογώνιες συνιστώσες. Κάθε εξάρτημα παράγει, όταν ενεργοποιείται με το παλινδρομικό ρεύμα, ένα γραμμικό, ομοιογενές, αμοιβαίο μαγνητικό πεδίο Br ML πάνω από την περιοχή της πηγής. Αυτά τα αμοιβαία μαγνητικά πεδία επάγουν πεδία μολύβδου J r LM στα οποία το ρεύμα απαγωγής κατευθύνεται εφαπτομενικά και η πυκνότητά του είναι ανάλογη με την απόσταση από τον άξονα συμμετρίας (εικ.). Εικ.A Μία συνιστώσα του αμοιβαίου μαγνητικού πεδίου () B r ML Εικ.3. Μια φυσική μέθοδος για τη μέτρηση της μαγνητικής διπολικής ροπής μιας πηγής που βρίσκεται στην αρχή είναι η μέτρηση ( x, y, z) συνιστωσών του μαγνητικού πεδίου σε αντίστοιχους άξονες συντεταγμένων. IV. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ MCG ΚΑΙ ΗΚΓ Μπορεί να σημειωθεί ότι η βιοηλεκτρική δραστηριότητα στην καρδιά είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία πυκνότητας ρεύματος πηγής, δηλαδή Jr ( x, y, z, t). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τόσο το ηλεκτρικό όσο και το μαγνητικό πεδίο παράγονται από την ίδια πηγή, η οποία, με τη σειρά της, ανταποκρίνεται στο ηλεκτροφυσιολογικό φαινόμενο της εκπόλωσης και επαναπόλωσης των καρδιακών μυϊκών κυττάρων. Προκύπτει ένα λογικό ερώτημα σχετικά με το εάν οποιαδήποτε νέα πληροφορία μπορεί να παρέχεται από τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου που δεν είναι διαθέσιμη από τη μέτρηση του ηλεκτρικού δυναμικού πεδίου. Ενώ φαίνεται, σε ορισμένους θεωρητικούς λόγους, ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία δεν είναι πλήρως ανεξάρτητα, υπάρχουν άλλοι λόγοι για τη χρήση της μαγνητοκαρδιογραφίας. Αυτά μπορούν να χωριστούν σε θεωρητικά και τεχνικά χαρακτηριστικά. Τα πρώτα βασίζονται στις καθολικές ιδιότητες των βιομαγνητικών πεδίων και τα δεύτερα στα τεχνικά χαρακτηριστικά των οργάνων. Υπάρχουν κάποιες διαφορές μεταξύ των γραφημάτων των καμπυλών δυναμικού s VMCG και VECG στις περιπτώσεις MCG και ECG (Εικ.4) Σχ.(Β) Ένα συστατικό του πεδίου ηλεκτροδίου J r LM ενός ιδανικού ηλεκτροδίου 456

20Δημήτρης Τζ. Το Dimitrov καίει αυτό είναι ένα κρίσιμο πλεονέκτημα.) Δεύτερον, το μαγνητόμετρο SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) είναι εύκολα ικανό να μετράει σήματα DC. Αυτά σχετίζονται με τη μετατόπιση του τμήματος S-T στο έμφραγμα του μυοκαρδίου. Τέτοια σήματα μπορούν να ληφθούν ηλεκτρικά μόνο με μεγάλη δυσκολία. Αν και η κλινική αξία δεν έχει ακόμη αποδειχθεί, θα πρέπει να σημειωθεί ότι λόγω της δυσκολίας στην εκτέλεση ηλεκτρικών μετρήσεων, έχουν γίνει λίγες έρευνες για τα δυναμικά DC. Εικ.4 Ταυτόχρονες γραφικές παραστάσεις των πειραματικών καμπυλών δυναμικού s κατά τη διάρκεια του συμπλέγματος QRS στις περιπτώσεις MCG (συμπαγής καμπύλη) και ΗΚΓ (διακεκομμένη καμπύλη). Α. Θεωρητικά πλεονεκτήματα του MCG Πρώτον, η φύση των πεδίων μολύβδου των ηλεκτρικών και μαγνητικών απαγωγών είναι αρκετά διαφορετική. Συγκεκριμένα, το ιδανικό μαγνητικό καλώδιο είναι ευαίσθητο μόνο σε εφαπτομενικές συνιστώσες των πηγών ενεργοποίησης και επομένως θα πρέπει να ανταποκρίνεται ιδιαίτερα σε ανωμαλίες στην ενεργοποίηση (καθώς οι κανονικές πηγές ενεργοποίησης είναι κυρίως ακτινικές). Επιπλέον, οι εφαπτομενικές συνιστώσες εξασθενούν στο ΗΚΓ λόγω του φαινομένου Brody. Ένας άλλος παράγοντας είναι ότι η αναλογία σήματος προς θόρυβο για τις ηλεκτρικές και μαγνητικές εγγραφές επηρεάζεται από διαφορετικούς παράγοντες, επομένως θα μπορούσε να υπάρχει ένα πρακτικό πλεονέκτημα στη χρήση του ενός έναντι του άλλου παρά τις ομοιότητες στο περιεχόμενο Δεύτερον, η μαγνητική διαπερατότητα του ιστού είναι αυτό του ελεύθερου χώρου. Επομένως, η ευαισθησία του MCG δεν επηρεάζεται από την υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση του πνευμονικού ιστού. Αυτό καθιστά δυνατή την καταγραφή με MCG από την οπίσθια πλευρά του θώρακα της ηλεκτρικής δραστηριότητας της οπίσθιας πλευράς της καρδιάς. Αυτό είναι δύσκολο να γίνει με τα επιφανειακά ηλεκτρόδια ΗΚΓ, αλλά είναι δυνατό να γίνει με ένα οισοφαγικό ηλεκτρόδιο που είναι, ωστόσο, άβολο για τον ασθενή Μια άλλη σημαντική εφαρμογή αυτού του χαρακτηριστικού είναι η καταγραφή του εμβρυϊκού MCG. Κατά τη διάρκεια μιας ορισμένης φάσης της εγκυμοσύνης το ΗΚΓ του εμβρύου είναι πολύ δύσκολο να καταγραφεί λόγω του μονωτικού στρώματος λίπους στο έμβρυο. Β. Τεχνικά πλεονεκτήματα του MCG Πρώτον, μια πιθανώς σημαντική διάκριση είναι ότι ο μαγνητικός ανιχνευτής δεν έρχεται σε επαφή με το θέμα. Για τον μαζικό έλεγχο, υπάρχει ένα πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται προετοιμασία του δέρματος και προσάρτηση ηλεκτροδίων. (Στην περίπτωση ασθενών με δέρμα V. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ. Είναι σαφές ότι η εφαρμογή των σημάτων MCG στην ιατρική διαγνωστική έχει πολλά πλεονεκτήματα: α/ Το ΗΚΓ μετρά το πεδίο ηλεκτρικού δυναμικού, το οποίο είναι βαθμωτό πεδίο. Επομένως, μια μέτρηση στο κάθε θέση μέτρησης είναι αρκετή. Το MCG μετρά το μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι ένα διανυσματικό πεδίο. Επομένως, οι μετρήσεις MCG θα πρέπει να παρέχουν μια διανυσματική περιγραφή - δηλαδή τρεις ορθογώνιες μετρήσεις σε κάθε θέση μέτρησης - για να λάβετε όλες τις διαθέσιμες πληροφορίες. b/in MCG μας ενδιαφέρει η ηλεκτρική ενεργοποίηση ολόκληρου του καρδιακού μυός, όχι μόνο στην πρόσθια επιφάνειά του, επομένως, για να αντισταθμιστεί το φαινόμενο εγγύτητας, οι μετρήσεις MCG θα πρέπει να γίνονται συμμετρικά τόσο στην πρόσθια όσο και στην οπίσθια πλευρά του θώρακα. Η οπίσθια μέτρηση του MCG αυξάνει τις πληροφορίες ειδικά στην οπίσθια πλευρά της καρδιάς, όπου η ευαισθησία όλων των απαγωγών ΗΚΓ είναι χαμηλή λόγω της μονωτικής δράσης των πνευμόνων (Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, στη μέτρηση του ΜΕΓ, είμαστε κυρίως ενδιαφέρεται για την ηλεκτρική ενεργοποίηση της επιφάνειας του εγκεφάλου, του φλοιού. Επομένως, μια μονοπολική μέτρηση είναι πιο σημαντική για τη μέτρηση του MEG.) γ/βάσει της υπάρχουσας βιβλιογραφίας για το MCG, η μη συμμετρική μονοθέσια μέτρηση φαίνεται να δίνει την ίδια διαγνωστική απόδοση με την χαρτογράφηση της συνιστώσας χ του μαγνητικού πεδίου στο πρόσθια πλευρά του θώρακα.. Ένας συνδυασμός ηλεκτρικών και μαγνητικών μετρήσεων (δηλαδή ΗΚΓ και MCG) δίνει καλύτερη διαγνωστική απόδοση από οποιαδήποτε μέθοδο μόνη της με τον ίδιο αριθμό διαγνωστικών παραμέτρων, επειδή ο αριθμός των ανεξάρτητων μετρήσεων διπλασιάζεται. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] P.Кагр Р. Καρδιομαγνητισμός. Στο Biomagnetism, Proc. Τρίτο Εσωτερικό. Workshop On Biomagn-tism, Βερολίνο, Μάιος 98, σελ. 9-58, [] Hristov, V., and V. Vatchkov, Web based system for microscope observation with structural analyser EPIQUANT, Engineering Science Magazine, 6, No, pp. 7-4 [3] Hristov, V. ΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ZIGBEE: A REALIZATION, Proc. of the Conference FMNS 5, Blagoevgrad,9- June 5, vol., pp

21This page is intentionally left blank. 458

22A Stimulation of Neural Tissue by Pulse Magnetic Signals Dimiter Tz. Dimitrov Περίληψη Σε αυτή την εργασία περιγράφεται μια θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της διέγερσης του νευρικού ιστού από παλμικά μαγνητικά σήματα. Η πειραματική διερεύνηση έγινε με χρήση κατάλληλου κυκλώματος. Γίνεται σύγκριση μεταξύ της άμεσης ηλεκτρικής διέγερσης του νευρικού ιστού και της διέγερσης του νευρικού ιστού από παλμικά μαγνητικά σήματα με αντίστοιχα συμπεράσματα και συστάσεις. Γίνεται επίσης βελτιστοποίηση των παραμέτρων των χρησιμοποιούμενων παλμικών μαγνητικών σημάτων για διέγερση. Λέξεις-κλειδιά Μαγνητική διέγερση, νευρικός ιστός, παλμικά μαγνητικά σήματα I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γνωστό ότι η προέλευση του βιομαγνητικού πεδίου είναι η ηλεκτρική δραστηριότητα του βιολογικού ιστού. Αυτή η βιοηλεκτρική δραστηριότητα παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα στον αγωγό όγκου που επάγει το βιομαγνητικό πεδίο. Αυτή η συσχέτιση μεταξύ βιοηλεκτρικών και βιομαγνητικών φαινομένων, φυσικά, δεν περιορίζεται στη δημιουργία των βιοηλεκτρικών και βιομαγνητικών πεδίων από τις ίδιες βιοηλεκτρικές πηγές. Αυτή η συσχέτιση προκύπτει επίσης στη διέγερση του βιολογικού ιστού. Η μαγνητική διέγερση είναι μια μέθοδος για τη διέγερση του διεγέρσιμου ιστού με ένα ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο μεταβαλλόμενο στο χρόνο. Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ ότι, όπως και στην ηλεκτρική και μαγνητική ανίχνευση της βιοηλεκτρικής δραστηριότητας διεγέρσιμων ιστών, τόσο η ηλεκτρική όσο και η μαγνητική μέθοδος διέγερσης διεγείρουν τη μεμβράνη με ηλεκτρικό ρεύμα. Ο πρώτος το κάνει απευθείας, αλλά ο δεύτερος το κάνει με το ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται μέσα στον αγωγό όγκου από το χρονικά μεταβαλλόμενο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Ο λόγος για τη χρήση ενός χρονικά μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου για την επαγωγή του διεγερτικού ρεύματος είναι, αφενός, η διαφορετική κατανομή του διεγερτικού ρεύματος και, αφετέρου, το γεγονός ότι το μαγνητικό πεδίο διεισδύει χωρίς εξασθένηση μέσω περιοχών όπως το ηλεκτρικά μονωτικό κρανίο. Αυτό καθιστά δυνατή την αποφυγή υψηλής πυκνότητας διεγερτικού ρεύματος στο τριχωτό της κεφαλής για τη διέγερση του κεντρικού νευρικού συστήματος και έτσι την αποφυγή της αίσθησης πόνου. Επίσης, δεν απαιτείται φυσική επαφή του διεγερτικού πηνίου και του ιστού στόχου, σε αντίθεση με την ηλεκτρική διέγερση. Dimter Tz. Ο Dimitrov είναι από τη Σχολή Τεχνικής και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Σόφιας, Βουλγαρία, Σόφια, 8, Kliment Ohridsky, II. Ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΕΡΝΙΔΙΩΝ ΔΙΕΓΕΡΤΗ Ένας μαγνητικός διεγέρτης περιλαμβάνει ένα πηνίο που τοποθετείται στην επιφάνεια του δέρματος. Για να προκληθεί ρεύμα στον υποκείμενο ιστό, πρέπει να δημιουργηθεί ένα ισχυρό και ταχέως μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο από το πηνίο. Στην πράξη, αυτό δημιουργείται φορτίζοντας πρώτα έναν μεγάλο πυκνωτή σε υψηλή τάση και στη συνέχεια εκφορτίζοντάς τον με διακόπτη θυρίστορ μέσω ενός πηνίου. Η αρχή ενός μαγνητικού διεγέρτη απεικονίζεται στο Σχ.. Το μέγεθος της επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης (emf) - e είναι ανάλογο του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος, dl/dt και της επαγωγής του πηνίου L. Ο όρος dl/dt εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία αποφορτίζονται οι πυκνωτές. Το τελευταίο αυξάνεται με τη χρήση ενός γρήγορου διακόπτη στερεάς κατάστασης (δηλαδή, γρήγορου θυρίστορ) και το ελάχιστο μήκος καλωδίωσης. Η επαγωγή L καθορίζεται από τη γεωμετρία και τη συστατική ιδιότητα του μέσου. Οι κύριοι παράγοντες για το σύστημα πηνίου είναι το σχήμα του πηνίου, ο αριθμός στροφών στο πηνίο και η διαπερατότητα του πυρήνα. Για τυπικά πηνία που χρησιμοποιούνται στη φυσιολογική μαγνητική διέγερση, η επαγωγή μπορεί να υπολογιστεί από τις ακόλουθες εξισώσεις. ΙΙΙ. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗ Η μαγνητική διαπερατότητα του βιολογικού ιστού είναι περίπου αυτή του κενού. Επομένως ο ιστός δεν έχει καμία αξιοσημείωτη επίδραση στο ίδιο το μαγνητικό πεδίο. Το ταχέως μεταβαλλόμενο πεδίο της μαγνητικής ώθησης προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα στον ιστό, το οποίο παράγει τη διέγερση. Λόγω του θεωρήματος της αμοιβαιότητας, η κατανομή πυκνότητας ρεύματος ενός μαγνητικού διεγέρτη είναι ίδια με την κατανομή ευαισθησίας ενός τέτοιου μαγνητικού ανιχνευτή που έχει παρόμοια κατασκευή. Είναι απαραίτητο να σημειωθεί ότι στη θεωρία πεδίου μολύβδου, η αμοιβαία ενεργοποίηση ισούται με την εφαρμογή διεγερτικής ενέργειας. Η κατανομή της πυκνότητας ρεύματος στη μαγνητική διέγερση μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που εισήγαγε ο Malmivuo (976) και αργότερα εφαρμόστηκε για το MEG (Malmivuo, 98). Παρακάτω περιγράφονται δύο περιπτώσεις εφαρμογής μονού και τετραπολικού πηνίου. 459

23A Stimulation of nervous tissue with pulsed magnetic signals Image. The principle of the magnetic stimulator Image. Lines of isointensity and half-intensity volume for a stimulation coil with a radius of 5 mm. The distance of the winding plane from the crown is 46 mm

24Δημήτρης Τζ. Dimitrov A. Single Coil Η τρέχουσα κατανομή ενός μόνο πηνίου, που παράγει ένα διπολικό πεδίο, παρουσιάζεται στο σχ., το οποίο απεικονίζει τις γραμμές ισοέντασης και τον όγκο μισής έντασης για ένα πηνίο με ακτίνα 5 mm. Οι έννοιες της γραμμής ισοέντασης και του όγκου μισής έντασης είναι αμοιβαίες με τη γραμμή ισοευαισθησίας και τον όγκο μισής ευαισθησίας. Λόγω της κυλινδρικής συμμετρίας, οι γραμμές ισοέντασης συμπίπτουν με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Β. Διαμόρφωση τετραπολικού πηνίου Τα πηνία μπορούν να εξοπλιστούν με πυρήνες από εξαιρετικά διαπερατό υλικό. Ένα πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι το μαγνητικό πεδίο που παράγεται εστιάζεται καλύτερα στην επιθυμητή θέση. Η κατασκευή του διαπερατού πυρήνα με τη μορφή του γράμματος V έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας τετραπολικής πηγής μαγνητικού πεδίου. Με το υδατοπολικό μαγνητικό πεδίο, το διεγερτικό ηλεκτρικό ρεύμα στον ιστό έχει γραμμική αντί για κυκλική μορφή. Σε ορισμένες εφαρμογές το αποτέλεσμα είναι πιο αποτελεσματική διέγερση. Από την άλλη πλευρά, ένα τετραπολικό πεδίο μειώνεται ως συνάρτηση της απόστασης πιο γρήγορα από αυτό ενός διπολικού πηνίου. Επομένως, το διπολικό πηνίο είναι πιο αποτελεσματικό στην διέγερση αντικειμένων που βρίσκονται πιο βαθιά μέσα στον ιστό. IV. ΠΑΛΜΟΣ ΔΙΕΓΕΡΩΣΗΣ Ο πειραματικός διεγέρτης (Εικ.) έχει μια κατασκευή πυκνωτή ίση με χωρητικότητα 476 μ F. Αυτό φορτίστηκε στα 9-6 V και στη συνέχεια εκφορτίστηκε από το θυρίστορ μέσω του πηνίου διέγερσης. Το αποτέλεσμα ήταν ένας παλμός μαγνητικού πεδίου .-. T, 5 mm μακριά από το πηνίο. Το μήκος του παλμού του μαγνητικού πεδίου ήταν της τάξης των 5-3 μ s. Η ενέργεια W που απαιτείται για τη διέγερση του ιστού είναι ανάλογη με το τετράγωνο της αντίστοιχης μαγνητικής επαγωγής Β. Σύμφωνα με τον νόμο επαγωγής του Faraday, αυτό το μαγνητικό πεδίο είναι με τη σειρά του περίπου ανάλογο με το γινόμενο του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου E και της διάρκειας παλμού. W B E t () όπου: W είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη διέγερση του ιστού В είναι η μαγνητική επαγωγή Ε είναι η ηλεκτρική ένταση t είναι η διάρκεια του παλμού Η αποτελεσματικότητα του διεγέρτη σε σχέση με τη μεταφορά ενέργειας είναι ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της αποθηκευμένης μαγνητικής ενέργειας στο πηνίο όταν το ρεύμα στο πηνίο φτάσει στη μέγιστη τιμή του. Ένα απλό μοντέλο νευρικής ίνας είναι να θεωρείται κάθε κόμβος ως πυκνωτής που έχει διαρροή που πρέπει να φορτιστεί. Οι μετρήσεις με ηλεκτρική διέγερση δείχνουν ότι η σταθερά χρόνου αυτού του πυκνωτή με διαρροή είναι της τάξης των 5-3 μ s. Επομένως, για αποτελεσματική διέγερση ο τρέχων παλμός στον κόμβο θα πρέπει να είναι μικρότερος από αυτό. Για έναν σύντομο παλμό στο πηνίο απαιτείται λιγότερη ενέργεια, αλλά προφανώς υπάρχει και ένα χαμηλότερο όριο. V. ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΓΕΡΘΗΤΟΥ ΙΣΤΟΥ ΑΠΟ ΧΡΟΝΟΜεταβαλλόμενα ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΣΗΜΑΤΑ Η πραγματική διέγερση του διεγέρσιμου ιστού από ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκύπτει από τη ροή του επαγόμενου ρεύματος στις μεμβράνες. Χωρίς τέτοια ροή δεν δημιουργείται εκπόλωση και δεν μπορεί να προκύψει διέγερση. Δυστυχώς, δεν μπορεί κανείς να εξετάσει το λάθος ερώτημα με μια γενική έννοια, αλλά μάλλον πρέπει να εξετάσει συγκεκριμένες γεωμετρίες και δομές. Μέχρι σήμερα αυτό έχει γίνει μόνο για μία μόνο νευρική ίνα σε ένα ομοιόμορφο αγώγιμο μέσο με ένα διεγερτικό πηνίο του οποίου το επίπεδο είναι παράλληλο με την ίνα. Στο μοντέλο που εξέτασαν οι Roth και Basser, το νεύρο υποτίθεται ότι είναι μη μυελινωμένο, άπειρη σε έκταση και βρίσκεται σε ένα ομοιόμορφο αδέσμευτο αγώγιμο μέσο, ​​τη μεμβράνη που περιγράφεται από τις εξισώσεις Hodgkin-Huxley. Η τάση transmemhrane V m φαίνεται ότι ικανοποιεί την εξίσωση (): λ () m m Vm V x όπου: V = τ t E + λ x V m είναι η τάση διαμεμβράνης λ είναι η σταθερά του χώρου της μεμβράνης τ είναι η σταθερά χρόνου της μεμβράνης χ είναι ο προσανατολισμός της ίνας E x είναι х- συστατικό της μαγνητικά επαγόμενης ηλεκτρικής έντασης (ανάλογα με τη συνιστώσα x της επαγόμενης πυκνότητας ρεύματος) Είναι ενδιαφέρον ότι είναι η αξονική παράγωγος αυτού του πεδίου που είναι η κινητήρια δύναμη για μια επαγόμενη τάση. Για ένα ομοιόμορφο σύστημα στο οποίο τα τελικά αποτελέσματα μπορούν να αγνοηθούν, η διέγερση θα προκύψει κοντά στη θέση του μέγιστου μεταβαλλόμενου ρεύματος και όχι στο ίδιο το μέγιστο ρεύμα. Στην πειραματική έρευνα το πηνίο βρίσκεται στο επίπεδο xy με το κέντρο του στο x =, y =, ενώ η ίνα είναι παράλληλη στον άξονα x και x 46

25Excitation of neural tissue by pulsed magnetic signals at y =, 5 cm and z =, cm. Consider a coil of radius 0.5 cm wound with 3 turns of its wire. radius mm. The coil, located at a distance of. cm from the fiber, is a component of the RLC circuit. and the time variation is that resulting from the input voltage step. Assuming C = µf and R = 3Ω results in an excessively damped current waveform. From the resulting excitation, it was determined that the excitation occurs at h (, depending on the direction of the magnetic field) which corresponds to the position of the E x x maximum. The applied excitation voltage threshold is specified at 3 V. (This results in the maximum coil current of about A.) These designed conditions can be easily realized. Stimulators with short rise times (< 6 μs) need only half the stored energy of those with longer rise times (> 8 μs). The use of variable field rise time also allows measurement of the membrane time constant and this may contain useful diagnostic information. REFERENCES [] D.Dimitrov, M.Dontschewa Computer modeling from magnetic field, 4th Intern.Konferen Computer Aided Engineering Education, , Krakow, 995 [] B D.Dimitrov, M.Dontschewa, M.Nikolova Computer simulation of 3D-signal of Nemeks Apparat in Physiotherapy, 7th Multimedia Fachtagung, , Dortmund, 997 [3] M. Dontschewa, H.-P. Inexpensive multimedia presentation system from Schade Leistungsfähiges. Konstruktione, Voraussetungen, 39.IWK, , Band, S. 384, Ilmenau,994 [4] Barker AT, Freeston IL, Garnham CW (99): Measurement of cortical and peripheral nerve membrane time constants in man using magnetic nerve stimulation. J. Physiol. (Land.) 43: 66. [5] Barker AT, Freeston IL, Jalinous R, Merton PA, Morton HB (985): Magnetic stimulation of the human brain. J. Physiol. (Gi.) 369: 3P. [6] Dimitrov, D. Medical information systems, textbook, Technical University of Sofia, 5. VI. CONCLUSION It is possible to make the following conclusions after the theoretical and experimental research described above: magnetic stimulation can be applied to nerve stimulation either centrally or peripherally. The main advantage of magnetic stimulation is that the density of the stimulating current is not concentrated on the skin, as in the case of electrical stimulation, but is more evenly distributed within the tissue. This especially applies to transcranial magnetic stimulation of the brain, where the high electrical resistance of the skull has no effect on the distribution of the stimulating current. 3. Another advantage of the magnetic stimulation method is that the stimulator does not have direct contact with the skin. This is an advantage in the sterile operating room environment. 4. It can be predicted that magnetic stimulation could be particularly applicable to the stimulation of cortical regions, because with electrical stimulation it is difficult to produce concentrated distributions of excitatory current density in the cortical region and to avoid high current densities in the scalp. 46

26Eye-Blinking Artefacts Ανάλυση Διάρκειας Plamen Manoilov Περίληψη Τα τεχνουργήματα εμποδίζουν την ανάλυση του σήματος του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (EEG) και θα πρέπει να αντιμετωπίζονται σωστά. Τα πιο κοινά και χαρακτηριστικά είδη τεχνουργημάτων είναι τα ηλεκτροοφθαλμογραφικά (EOG), ιδιαίτερα τα ανοιγόμενα μάτια του υποκειμένου. Σε αυτή την εργασία περιγράφεται μια ανάλυση της διάρκειας του τμήματος ΗΕΓ, που μολύνεται από τεχνουργήματα που αναβοσβήνουν τα μάτια με τη σύνδεση της χρήσης του ΗΕΓ για διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI), που εργάζεται με α- και μ-ρυθμούς (εύρος 8-3 Hz ) εγκεφαλικές δυνατότητες. Λέξεις-κλειδιά BCI, τεχνούργημα αναλαμπής, ανάλυση EEG, EOG, φάσμα ισχύος I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μια άμεση διεπαφή υπολογιστή εγκεφάλου (BCI) είναι μια βοηθητική συσκευή που δέχεται εντολές απευθείας από τον ανθρώπινο εγκέφαλο χωρίς να απαιτεί καμία φυσική κίνηση. Ο απώτερος στόχος μιας τέτοιας διεπαφής είναι να παρέχει αποτελεσματική επικοινωνία χωρίς τη χρήση των φυσιολογικών οδών νευρομυϊκής εξόδου του εγκεφάλου, αλλά με την αποδοχή εντολών που κωδικοποιούνται απευθείας στα νευροφυσιολογικά σήματα. Το BCI θα πρέπει να μπορεί να ανιχνεύει τις επιθυμίες και τις εντολές του χρήστη ενώ ο χρήστης παραμένει σιωπηλός και ακινητοποιημένος. Για άτομα που είναι εγκλωβισμένα αφού έχουν χάσει κάθε εθελοντικό έλεγχο των μυών λόγω προχωρημένης αμυοτροφικής πλάγιας σκλήρυνσης, εγκεφαλικού στελέχους ή μυϊκής δυστροφίας, το BCI μπορεί να είναι το μόνο μέσο επικοινωνίας τους με το περιβάλλον. Προφανώς, η επικοινωνία εγκεφάλου-υπολογιστή είναι ζωτικής σημασίας για άτομα με τόσο σοβαρές κινητικές αναπηρίες ώστε να αυξηθεί η ποιότητα της ζωής τους. Το BCI μπορεί να είναι εξίσου χρήσιμο και για άτομα χωρίς αναπηρία. Στο πρόγραμμα Τεχνολογίας Εναλλακτικού Ελέγχου (ACT) του Ερευνητικού Εργαστηρίου της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ [] χρησιμοποιούν ΗΕΓ για να επιτύχουν έλεγχο hands free από Αμερικανούς στρατιωτικούς πιλότους. Για να είναι όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικό, ένα ιδανικό BCI θα πρέπει να επιτρέπει στο χρήστη να προσδιορίζει πότε πρόκειται να εκκινηθεί μια εντολή, να παρέχει πολλαπλά ανεξάρτητα ελεγχόμενα κανάλια και να υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς πληροφοριών. Είναι απίθανο το ιδανικό BCI να είναι διαθέσιμο στο εγγύς μέλλον, αλλά μια απλή αξιόπιστη διεπαφή που παρέχει έλεγχο με έναν διακόπτη θα ήταν επίσης ωφέλιμη για τους κλειδωμένους ασθενείς. Η πλειονότητα των ερευνών σχετικά με την επικοινωνία ανθρώπινου εγκεφάλου-υπολογιστή έχει πραγματοποιηθεί με χρήση του Plamen K. Manoilov με το Τμήμα Τεχνολογίας και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, RU A. Kanchev, 8 Studentska Str., Rousse, Bulgaria, ηλεκτροεγκεφαλογραφικές [, 5, 6] (EEG) καταγραφές που είναι καλά μελετημένες, εύκολα διαθέσιμες και μη επεμβατικές. Το λιγότερο ευρέως χρησιμοποιούμενο ηλεκτροκορτικογράφημα (ECoG) [4] είναι διαθέσιμο μόνο εάν τα άτομα χρειάζονται εμφύτευση ηλεκτροδίου στην επιφάνεια του φλοιού για κλινική θεραπεία ή αξιολόγηση και η πρόσβαση στην έρευνα θα μπορούσε να προγραμματιστεί γύρω από τις κλινικές δραστηριότητες. Σε σύγκριση με το ΗΕΓ, οι εγγραφές ECoG έχουν μικρότερη ευπάθεια σε τεχνουργήματα, ανώτερη χωρική ανάλυση, δίνοντας στο ECoG τη δυνατότητα να επιτρέπει την επικοινωνία εγκεφάλου-υπολογιστή με μεγαλύτερη λειτουργικότητα, αν και υπάρχει χειρουργικός κίνδυνος κάθε στιγμή. Σχεδιάζοντας ένα σύστημα BCI μπορεί κανείς να επιλέξει από μια ποικιλία χαρακτηριστικών που μπορεί να είναι χρήσιμα για την ταξινόμηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, που καταγράφονται κατά την εκτέλεση νοητικών εργασιών. Το ΗΕΓ μετριέται, λαμβάνεται δείγμα και στη συνέχεια χρησιμοποιείται για επικοινωνία. Ανάλογα με το BCI, εφαρμόζονται συγκεκριμένες μέθοδοι προεπεξεργασίας και εξαγωγής χαρακτηριστικών στα δείγματα ΗΕΓ - μήκους 0,5 s. Στη συνέχεια, είναι δυνατό να ανιχνευθούν τα σήματα ή τα μοτίβα ΗΕΓ ειδικά για την εργασία από τα δείγματα ΗΕΓ, με ένα ορισμένο επίπεδο ακρίβειας. Ένας ταξινομητής που θα μπορούσε να είναι Στατιστικό Νευρωνικό Δίκτυο Μοντέλου (SMNN), Κρυφά Μοντέλα Markov (HMM) ή παραλλαγές της Γραμμικής Διακριτικής Ανάλυσης (LDA) στη συνέχεια ταξινομεί αυτά τα χαρακτηριστικά. Το EOG σημαίνει ηλεκτροοφθαλμογραφικά τεχνουργήματα, τα οποία εμφανίζονται στο ΗΕΓ ως αποτέλεσμα των ματιών του υποκειμένου να κινούνται και να αναβοσβήνουν. Τα τεχνουργήματα που αναβοσβήνουν τα μάτια είναι εύκολο να διακριθούν. Στον τομέα του χρόνου εμφανίζουν τεράστιο υψηλό πλάτος σε σχέση με το άλλο σήμα EEG και υποτίθεται ότι θα μπορούσαν να έχουν επίδραση στον έλεγχο. II. ΔΗΛΩΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΛΕΤΗΣ Αυτή η μελέτη έγινε κατά τη διάρκεια μιας εργασίας σε ένα έργο για τη δημιουργία ενός BCI, που ξεκίνησε στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, Ολλανδία το 4. Καθηγητής drs dr Leon Rothkrantz, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής, Σχολή Ηλεκτρολόγων Η Μηχανική, τα Μαθηματικά και η Επιστήμη Υπολογιστών επέβλεψαν το έργο. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τα υποκείμενα εκτέλεσαν διαφορετικές νοητικές εργασίες, μεταξύ αυτών νοητική περιστροφή, κινητική φαντασία, μαθηματικούς υπολογισμούς, οπτικές παρουσιάσεις κ.λπ., εκδίδοντας διαφορετικά μοτίβα σε εύρος συχνοτήτων ρυθμικής εγκεφαλικής δραστηριότητας mu (μ) και άλφα (α), τα οποία μετά από μια επιτυχημένη ταξινόμηση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός BCI. Ως αποτέλεσμα των πειραμάτων, ετοιμάστηκε για χρήση μια βάση δεδομένων, η οποία περιέχει δεδομένα EEG 4 συνεδριών, περίπου λεπτά η καθεμία, που καταγράφηκαν από δύο άτομα (άρρενες, 5 και 3) μαζί με ένα εργαλείο για στατιστική ανάλυση (R, MATLAB). Το δεύτερο στάδιο ήταν η επεξεργασία του ΗΕΓ από τη βάση δεδομένων και το 463

27Eye-Blinking Artefacts Duration Ανάλυση εύρεσης (αν είναι δυνατόν) ενός συγκεκριμένου μοτίβου για κάθε νοητική εργασία. Μετά την ταξινόμηση των εργασιών, ορισμένες από αυτές με πιο ξεκάθαρο και καλά εκφρασμένο μοτίβο θα μπορούσαν να επιλεγούν για χρήση για τον έλεγχο BCI. Ένα από τα ερωτήματα που έπρεπε να λυθούν ήταν πώς να αντιμετωπίσετε τα ανοιγόμενα μάτια του υποκειμένου που προκάλεσαν τεχνουργήματα EOG. Υπάρχουν πηγές [], όπου οι έρευνες επεξεργάζονται τα δεδομένα, που περιέχουν βλεφαρίδες. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν και άλλες πηγές [6, 7], όπου αναφέρεται ότι τα ανοιγόμενα μάτια θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σφάλματα στην έρευνα και την εργασία των BCI. Η απόφαση ελήφθη να μελετηθεί το φάσμα ισχύος των τεχνουργημάτων EOG και να καθοριστεί η επιρροή τους στο ΗΕΓ σε σχέση με το επιλεγμένο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας. Μετά την ολοκλήρωση αυτής της μελέτης [9], βγήκε το συμπέρασμα ότι η επίδραση των τεχνουργημάτων EOG στο εύρος EEG 8-3 Hz είναι σημαντική και θα πρέπει να εξαλειφθούν από τα δεδομένα πριν από την εξαγωγή χαρακτηριστικών. Για περαιτέρω επεξεργασία δεδομένων ελήφθη απόφαση πρώτα να κόψουν τα αναβοσβήνει και μόνο μετά να επεξεργαστούν τα δεδομένα. Ακόμη και κάνοντας αυτή την ενέργεια με το χέρι, τίθεται το ερώτημα σχετικά με το μήκος των μολυσμένων από τα τμήματα των δεδομένων που αναβοσβήνουν τα μάτια. Μερικοί συγγραφείς [3] απλώς παραλείπουν τις δοκιμές όπου ανακαλύπτουν βλεφαρίδες. Αυτό το επιτυγχάνουν αυτόματα με γραμμική μείωση και αφαίρεση εκείνων των χρονοσειρών των οποίων το μέγιστο, διορθωμένο πλάτος EOG, υπερέβη ένα όριο. Εάν το αναβοσβήσιμο εμφανίζεται στο τέλος μιας δοκιμής, η επιρροή του θα μπορούσε να μολύνει την επόμενη δοκιμή. Τα τμήματα για επεξεργασία έχουν μήκος -,5 δευτερόλεπτα. Η επιρροή του βλεφαρίσματος θα μπορούσε να διαρκέσει περισσότερο. Από την άλλη πλευρά, η κοπή των τυφλά μεγάλων τμημάτων με αναβοσβήνει θα απορρίψει χρήσιμα μέρη του ΗΕΓ και θα επιβραδύνει την εργασία των BCI. Ο άλλος συγγραφέας [], Εικ., αναγνωρίζει και επισημαίνει τα αναβοσβήνει χρησιμοποιώντας παραμέτρους της κυματομορφής EEG όπου έχει το υψηλότερο πλάτος. Αργότερα τα σημειωμένα ΗΕΓ προορίζονται να χρησιμοποιηθούν από γιατρούς. Δεν αναφέρεται μελέτη σχετικά με το μήκος των μολυσμένων από αναβοσβήνει τμήματα. * G N ( k, t) - σύνθετο συζυγές, α) β) Σχ.. Αναβοσβήνει με διαφορετικές μορφές και διάρκειες στον τομέα του χρόνου Εικ.. Παράμετροι, που χρησιμοποιούνται στο [] για την αναγνώριση βλεφαρίδων που αναβοσβήνουν Εμφανίζονται αναβοσβήνει που καταγράφονται κατά τη διάρκεια διαφορετικών συνεδριών και εργασιών στο Σχ.. Εκτός από το υψηλό τους πλάτος στο εύρος χαμηλής συχνότητας δεν έχουν καμία συγκεκριμένη και επαναλαμβανόμενη μορφή. Το μήκος κάποιων από αυτά ξεπερνά το s (56 δείγματα). Η διάρκεια του ορατού μέρους τους στο πεδίο του χρόνου είναι διαφορετική και εξαρτάται από το θέμα. Στην πραγματικότητα εξαρτώνται από το συναισθηματικό στρες του υποκειμένου, την κούραση, την υγρασία των ματιών, κ.λπ. Η μελέτη που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο συνεχίζει την εργασία στο []. Για να βρεθεί η διάρκεια της επίδρασης του βλεφαρίσματος στο ΗΕΓ, χρησιμοποιείται ο μετασχηματισμός Gabor, σύμφωνα με το () * P( k, t) = G ( k, t) G ( k, t), όπου () N N N iπkn / N G N ( k, t) = x( n, t) H (n) e, () n= N - αριθμός δειγμάτων για την ανάλυση, th H (n) - n δείγμα παραθύρου Hamming με μήκος N, th x ( n, t) - n δείγμα του τρέχοντος τμήματος, με μετατόπιση t από την αρχή του ΗΕΓ. Η μελέτη χρησιμοποιεί τομές ΗΕΓ διάρκειας 6 δευτερολέπτων με βλεφαρίδες, για να τυλίξει μέρη πριν και μετά το βλεφάρισμα. Το βλέμμα είναι κεντραρισμένο. Κάθε τμήμα χωρίζεται σε τμήματα s το καθένα με αλληλεπικάλυψη 5 δευτερολέπτων. Το φίλτρο κινούμενου μέσου όρου χρησιμοποιείται σε ίσες συχνότητες σε γειτονικά τμήματα μετά την ανάλυση Fourier. Τα αποτελέσματα δίνονται ως τρισδιάστατα σχέδια στα Σχ. 3 και 4. Αρχικά επιλέγεται μια παρόμοια φόρμα με το σχ. αναβοσβήνει - Εικ. α, περίοδος λειτουργίας 3, εργασία 36, εκτέλεση. Τα σημάδια του άξονα θέσης στο Σχ. 3 αντιστοιχούν στην πραγματική συχνότητα ως (θέση )=συχνότητα, Hz. Η απόσταση μεταξύ των σημαδιών σε χρονική κλίμακα είναι 5 δευτερόλεπτα. Σε όλα τα κανάλια διακυμάνσεις πλάτους ορισμένων στοιχείων συχνότητας στην περιοχή των 8 3 Hz παρατηρούνται συγχρονισμένα με τη συνιστώσα χαμηλής συχνότητας Hz, που προκαλούνται από το κλείσιμο (στο C3, Σχ. 3a και P3, Σχήμα 3b, στα Hz και σε Ο, Εικ. 3c, at και Hz). Δεν έχει σημασία ότι ο λευκός θόρυβος 464

28The Manoilov flame is slightly filtered whenever there is a frequency component(s) in the α-band that follows the amplitude caused by the low shutter frequency. The visible part of the eye blink in the time domain, image a, is about 8 samples -.5 seconds. Following the amplitude of the Hz component, the duration where it increases a) a) b) b) c) Figure 3. Spectrogram for C3, P3, O, session 3 c) Figure 4. Spectrogram of long blink duration, C3 , P3, O, session 3 465

29Η ανάλυση διάρκειας τεχνουργημάτων που αναβοσβήνουν τα μάτια (σε σύγκριση με τη σταθερή του κατάσταση) είναι *,5=3 s. Οι αλλαγές του εύρους συχνότητας Hz είναι παρόμοιες. Τα φασματογράμματα πιο περίπλοκης και μακράς διάρκειας αναλαμπής από το Σχ. β, συνεδρία 3, εργασία 36, εκτέλεση, φαίνονται στο Σχ. 4. Αν και τρεις ορατές περίοδοι της χαμηλής συχνότητας μπορούσαν να φανούν εκεί, αυτό είναι ένα αναλαμπή. Το ορατό τμήμα στον τομέα χρόνου διαρκεί πάνω από s (περισσότερα από 56 δείγματα). Η ισχύς είναι υψηλότερη στο τμήμα χαμηλής συχνότητας της περιοχής. Το τμήμα των 8 Hz επηρεάζεται περισσότερο. Παρόμοια με την προηγούμενη περίπτωση, η επίδραση του βλεφαρίσματος των ματιών διαρκεί κατά μέσο όρο 3 δευτερόλεπτα. Η ανάλυση αναβοσβήνει με διαφορετικές μορφές και διάρκειες στον τομέα του χρόνου έχει ως αποτέλεσμα σχεδόν ίσο μήκος 3 δευτερολέπτων του επηρεαζόμενου τμήματος. Σε αντίθεση με το [], όπου δηλώνεται ότι η μέση διάρκεια αναλαμπής είναι ms στις εγγραφές ΗΕΓ μας στον τομέα του χρόνου, το ορατό τμήμα των αναλαμπών έχει μήκος από έως ms. Τα περισσότερα από αυτά διαρκούν περίπου 5 ms. Λόγω των διαφορετικών μορφών (εξαρτώμενη από το θέμα) είναι αδύνατο να οριστεί η διάρκεια των αναβοσβήνεις των ματιών στον τομέα του χρόνου. Πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των αναβοσβήνεις είναι η επιρροή τους στις συχνότητες εύρους α. Αναβοσβήνει με διαφορετικές μορφές στον τομέα του χρόνου επηρεάζει διαφορετικές συχνότητες μεταξύ 8 και 3 Hz. Αυτές οι συχνότητες εμφανίζονται ταυτόχρονα με το στοιχείο συχνότητας Hz. III. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε όλα τα κανάλια το πλάτος των αναλαμπών είναι περισσότερο από 5 φορές υψηλότερο από το πλάτος των δεδομένων EEG χωρίς αναλαμπή. Η ισχύς του ματιού που αναβοσβήνει συγκεντρώνεται έως το εύρος των 3 Hz. Τα μάτια που αναβοσβήνουν θα μπορούσαν να αναγνωριστούν στον τομέα του χρόνου ελέγχοντας το πλάτος του ακατέργαστου ΗΕΓ ή στον τομέα της συχνότητας ελέγχοντας την ισχύ -3 Hz. Στην περιοχή 8-3 Hz σε τμήματα, τα οποία περιέχουν αναβοσβήνει, η ισχύς των στοιχείων συχνότητας είναι περισσότερο από 5% μεγαλύτερη σε σύγκριση με εξαρτήματα EEG χωρίς αναβοσβήνει. Όταν το αναλυόμενο τμήμα περιέχει μια αναλαμπή, η ισχύς σε όλα τα κανάλια ποικίλλει, γεγονός που μειώνει την πιθανότητα σωστής ταξινόμησης των προτύπων νοητικών εργασιών. Αποφασίστηκε να παραλειφθούν τα τμήματα ΗΕΓ, τα οποία περιέχουν βλεφαρίδες. Η ισχύς των συχνοτήτων εργασίας (8-3 Hz) μπορούσε να παρακολουθηθεί από τα φασματογράμματα όλων των καναλιών. Ανάλογα με τη μορφή που αναβοσβήνει στο πεδίο χρόνου, διαφορετικά στοιχεία συχνότητας αλλάζουν συγχρονισμένα με τη συχνότητα Hz, όπου συγκεντρώνεται η ισχύς των αναβοσβήσεών. Σύμφωνα με τη μελέτη, η απόρριψη της ενότητας 3 s είναι αρκετά αρκετή για να υπάρχουν γειτονικά μέρη που δεν αναβοσβήνουν. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Blankertz B., G. Curio, K.-R. Müller, Ταξινόμηση ενός δοκιμαστικού ΗΕΓ: Προς τη διασύνδεση με τον υπολογιστή του εγκεφάλου. Στο T. G. Diettrich, S. Becker, Z. Ghahramani, συντάκτες, Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS ), τόμος 4,, pp , [] Bogacz R., Blinking Artefact Recognition in EEG Signal Using Artificial Neural Network, Μεταπτυχιακή διατριβή, Politechnika Wroclaw, Τμήμα Πληροφορικής, Βρότσλαβ, (στα πολωνικά). [3] Burke D. P., S. P. Kelly, P. Chazal, R. B. Reilly, C. Finucane, A Parametric Feature Extraction and Classification Strategy for Brain Computer Interfacing, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, τομ. 3, Νο., 5 Μαρτίου. [4] Freemen W. J., L. J. Rogers, M. D. Holmes, D. L. Silbergeld, Spatial Spectral Analysis of Human Electrocorticograms, Including the Alpha and Gamma Bands, Journal of Neuroscience, 95,, σελ. -. [5] Hjorth B., An on-line transformation of EEG scalp potencials into orthogonal source derivations, Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, τομ. 39, 975, σελ [6] Lauer R. T., P. H. Peckham, K. L. Kilgore, EEG-Based Control of a Hand Grasp Neuroprothesis, Neuro-Report, τόμος, 999, pp [7] Lauer R.T., P. H. Peckham, K. W. Heetderks, Applications of Cortical Signals to Neuroprosthetic Control: A Critical Review, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, τομ. 8,, pp [8] Malmivuo J., R. Plonsey, Bioelectromagnetism, Principles and Applications of Bioelectrical and Biomagnetic Fields, Νέα Υόρκη, Οξφόρδη, Oxford University Press, 995, [9] Manoilov P. К., EEG Eye-Blinking Artefacts Power Spectrum Analysis, Proceedings of the International Conference on Computer Systems and Technologies CompSysTech 6, V.Tarnovo, Bulgaria, 5-6 Ιουνίου, 6, σελ. IIIA.3- IIIA.3-5. [] Manoilov P. К., Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα eelctrooculographic artefacts analysis, Πρακτικά του Εθνικού συνεδρίου με διεθνή συμμετοχή, ELECTRONICS 6, - JUNE, 6 pp (στα βουλγαρικά). [] Middendorf M., G. McMillan, G. Calhoun, K. S. Jones, Brain Computer Interfaces Based on the Steady-State Visual-Evoked Response, IEEE Transactions On Rehabilitation Engineering, τομ. 8(),, σελ. 4. [] Parra L. C., C. D. Spence, A. D. Gerson, P. Sajda, Response Error Correction A Demonstration of Improved Human- Machine Performance Using Real-Time EEG Monitoring, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineer , vol., 3, pp

30The Web Side System for Registration and Processing Medical Data of Urological Department Patients Jaroslaw Makal, Jacek Bilkiewicz and Andrzej Nazarkiewicz 3 Περίληψη Σε αυτή την εργασία περιγράφεται η λειτουργική εφαρμογή για τη συλλογή, επεξεργασία και ερμηνεία ιατρικών δεδομένων. Η χρήση αυτής της βάσης δεδομένων είναι δυνατή με την πρόσβαση στο διαδίκτυο και με ελάχιστες απαιτήσεις για υλικό. Οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στον διακομιστή μπορούν να αναθεωρηθούν και να δημιουργηθούν διαφορετικά στατιστικά στοιχεία ανάλογα με τις ιατρικές ή επιδημιολογικές ανάγκες. Αναφέρονται τα μελλοντικά σχέδια επέκτασης αυτής της βάσης δεδομένων με διαγνωστική μονάδα και μηχανή συμπερασμάτων. Λέξεις-κλειδιά τεχνολογία διαδικτύου, βάση δεδομένων, επεξεργασία δεδομένων, διάγνωση βοηθημάτων υπολογιστή. II. ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΒΑΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Το σύνολο πληροφοριών είναι οργανωμένο σε τρία ξεχωριστά μέρη (Εικ.): πίνακες γιατρών, ασθενών και εξετάσεων. Ο πίνακας ιατρών περιλαμβάνει τα στοιχεία ταυτοποίησης όλων των χρηστών που τους επιτρέπει να εισέλθουν στη βάση. Ο πίνακας ασθενών περιέχει προσωπικά δεδομένα ασθενών και ταυτότητα των γιατρών τους. Ο μεγαλύτερος πίνακας εξετάσεων αποτελείται από το τμήμα αναγνώρισης (ασθενής, γιατρός και εξέταση) και τον πίνακα αποτελεσμάτων (περίπου σειρές για κάθε εγγραφή). I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα συστήματα μέτρησης ηλεκτρονικών υπολογιστών χρησιμοποιούνται στην ιατρική για τη βελτίωση της ποιότητας και της αποτελεσματικότητας στις διαδικασίες υγειονομικής περίθαλψης. Οι προσωπικοί υπολογιστές έχουν γίνει φθηνοί και σχετικά εύκολοι στη χρήση. Η τεχνολογία του Διαδικτύου για την ανταλλαγή δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί από σχεδόν οποιοδήποτε ιατρείο ή χειρουργείο γιατρού (Εικ.). Αυτή η τεχνική και κοινωνικοοικονομική εξέλιξη οδήγησε σε μια κατάσταση όπου φαίνεται σκόπιμο να υποτεθεί ότι ένας μεγάλος αριθμός γιατρών μπορεί να έχει πρόσβαση σε ένα σύστημα πληροφοριών που βασίζεται στο Διαδίκτυο και να συλλέγει τα ιατρικά τους δεδομένα για κοινή ή δική τους χρήση []. Κάθε ιατρός έχει επίσης τη δυνατότητα Εικ.. Η δομή της βάσης δεδομένων Δύο τεχνολογίες [] έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αυτής της βάσης: MySQL -που επιτρέπει τη δημιουργία οποιασδήποτε συλλογής δεδομένων με πρόσθετη περιγραφή. Είναι πολύ δημοφιλές και ευρεία γκάμα που χρησιμοποιείται από web-master επίσης λόγω του χαμηλού κόστους του (δεν είναι απαραίτητη η άδεια χρήσης) και της PHP Typer Text -η γλώσσα σεναρίου που εκτελείται στον διακομιστή που επιτρέπει τη δυναμική δημιουργία των περιεχομένων της πλευράς web. Η διαδικασία δημιουργίας βάσης δεδομένων αυτοματοποιείται με τον εντοπισμό όλων των εντολών στο αρχείο baza.php που βρίσκεται στον κεντρικό κατάλογο του διακομιστή. Ο διαχειριστής διαχειρίζεται την κατάσταση των χρηστών και τους επιτρέπει να κάνουν χρήση όλων των εγγραφών ή μόνο του δικού τους μέρους. Ο χρήστης μπορεί να προσθέσει/διαγράψει τον ασθενή ή το αποτέλεσμα της εξέτασης για υπάρχον στοιχείο. Εικ. 3. Η διαδικασία ενεργοποίησης της χρήσης της βάσης δεδομένων Εικ.. Η πρόσβαση των χρηστών στη βάση δεδομένων για την ανασκόπηση και ανάλυση ιατρικών δεδομένων στους χώρους εργασίας τους: νοσοκομείο, κλινική ή μελέτη στο σπίτι. Ο Jaroslaw Makal είναι στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Bialystok (BTU), ul. Wiejska 45D, 5-35 Εάν παρατηρηθούν κάποια αποτελέσματα του ασθενούς, η παρουσίαση είναι Bialystok, Πολωνία, με τη μορφή πίνακα και όλα τα στοιχεία ταξινομούνται σύμφωνα με την ημερομηνία Ο Jacek Bilkiewicz είναι φοιτητής του BTU Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Πολωνία,; (το πιο πρόσφατο στην αρχή). Για εύχρηστη χειρουργική επέμβαση, το ερώτημα 3 Andrzej Nazarkiewicz is with the J.Śniadecki Provincial έντυπα ενός νέου ασθενούς ξετυλίγεται. Τα επιλεγμένα τμήματα του Integrated Hospital, M.C. Skłodowskiej 6, 5-95 Białystok, Πολωνία, 467

31Τα δεδομένα του ερωτηματολογίου του Συστήματος Web Side για την Καταχώριση και Επεξεργασία Ιατρικών Δεδομένων Ασθενών του Ουρολογικού Τμήματος παρουσιάζονται στον Πίνακα I (δηλαδή το μέρος 5. αποτελείται από 3 σειρές· υπάρχουν πλησίον σειρές στην πλήρη έκδοση). ΠΙΝΑΚΑΣ I ΤΑ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ (ΟΧΙ ΟΛΑ) ΠΡΟΣΩΠΙΚΑ ΚΑΙ ΚΛΙΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΟΥ ΣΥΓΚΕΝΤΡΕΥΟΝΤΑΙ ΣΤΗ ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ. Προσωπικά δεδομένα: Δεδομένα ασθενούς (όνομα, δεύτερο όνομα, επώνυμο) Ημερομηνία εξέτασης (έτος-μήνας-ημέρα) Κωδικός SD/ιστορικό περιστατικού. Αναμνησία: Διαβήτης, Υπέρταση ναι/όχι ASC (αρτηριοσκλήρωση) ναι/όχι Σεξουαλική δραστηριότητα ναι/όχι εάν ΟΧΙ πόσα χρόνια από/από τη στυτική δυσλειτουργία σοβαρότητα: /-ήπια; -Μέσης; 3- σκληρό κάπνισμα ναι/όχι, αριθμός τσιγάρων/ανά ημέρα Αλκοόλ ναι/όχι, g ποτά/ ανά εβδομάδα Σωματικές ασκήσεις (τζόκινγκ, οποιοδήποτε άθλημα κ.λπ.) ναι/όχι, πόσα/ανά εβδομάδα 3. Παθήσεις Πόνος στο στήθος, Διαλείπουσα χωλότητα, Ορθόπνοια ναι/όχι 4. IPSS ούρησης, Ποιότητα ζωής Αριθμός βαθμολογίας Αιματουρία, Ακράτεια ούρων ναι/όχι, αριθμός χρησιμοποιημένων σερβιετών (ποσότητα/ανά 4 ώρα) 5. Φάρμακα: Αναστολείς άλφα ναι/όχι Αναστολείς 5- φωσφοδιεστεράση /Viagra, Cialis, Levitra/ ναι/όχι 6. Φυσική εξέταση Αρτηριακή πίεση mmhg Παλμός, Παλμός στις άπω αρτηρίες Ισχαιμία ποδιών (υπάρχει τρίχες στα πόδια του ασθενούς;) DRE (ψηφιακή ορθική εξέταση) 7. Εργαστηριακές εξετάσεις Ανάλυση ούρων φυσιολογική/μη φυσιολογική καλλιέργεια βακτηρίων ούρων αρνητική/θετική Γλυκαιμία, χοληστερόλη, LDL, HDL Ολικό PSA (τελευταίο) ng/ml ημερομηνία 8. USG (υπερηχογράφημα) του χαμηλού ουροποιητικού Ουρολιθίαση/πέτρες στο ανώτερο ουροποιητικό ναι/όχι Όγκος προστάτη, Υπολειπόμενο όγκος ούρων cm 3 9. Ουροροομετρία Qmax ml/s Όγκος ούρησης (ούρα) ml III. ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ Η πτυχή STATS επιτρέπει στους χρήστες να σχηματίζουν διαφορετικά στατιστικά στοιχεία για συγκεκριμένα στοιχεία του ερωτηματολογίου και στο μέλλον επίσης να κάνουν τα λεγόμενα διασταυρούμενα στατιστικά. Το παράδειγμα ενός απλού γραφήματος φαίνεται στο Σχ. 4. Όλες οι εγγραφές στη βάση δεδομένων συγκεντρώνονται για χάρη της ηλικίας των ασθενών [3]. Υπάρχουν 74 ασθενείς: 4 από αυτούς είναι από 6 έως 7 ετών. Ομοίως, σε αυτή τη βάση μπορεί να δημιουργηθεί το ποσοστό διαγράμματος των ασθενών με δηλαδή Qmax (μέγιστη ροή ούρων) πάνω από 5 ml/s. Εικ. 4. Το ιστόγραμμα του αριθμού των ασθενών που διαφοροποιήθηκε ανάλογα με την ηλικία τους IV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Έχουμε πραγματοποιήσει το σύστημα web side για τη συλλογή κλινικών δεδομένων. Χρησιμοποιήσαμε τις διευρυμένες φόρμες διερεύνησης που περιλαμβάνουν όλα τα πιθανά δεδομένα που αντιπροσωπεύουν περιπτώσεις ασθενών που πάσχουν από BPH (Καλοήθης Υπερπλασία Προστάτη), Καρκίνο του Προστάτη και άλλες αιτίες αναπηρίας του κατώτερου ουροποιητικού συστήματος [4]. Μέχρι στιγμής, μόνο άμεσες στατιστικές είναι δυνατές με τη μορφή ιστογραμμάτων. Στο εγγύς μέλλον η απάντηση στο ερώτημα: πόσοι ασθενείς με PSA=4-5 ng/ml έχουν μεγάλο όγκο προστάτη και έχουν BPH ως τελική διάγνωση, μπορεί να ληφθεί από τη βάση δεδομένων που περιγράφεται. Ο μακροπρόθεσμος στόχος αυτού του συστήματος είναι να βοηθήσει έναν γιατρό στη διάγνωση. Έχει το πλεονέκτημα ότι διαθέτει μια μεγάλη βάση δεδομένων γνώσεων που μπορεί να ενημερωθεί (μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερη γνώση από ένα άτομο). ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αυτή η εργασία υποστηρίζεται από το Υπουργείο Επιστημών και Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης (Πολωνία) από τις πηγές που έχουν ανατεθεί για επιστημονικές έρευνες στα 5-8 στο πλαίσιο του έργου αρ. 3 TC REFERENCES [] Orzechowski P., Makal J.: Acquisition of Medical Data in the Diagnosis of Belign Prostatic Hyperplasia (BPH), Proceedings of the 6th School-Conference on Computer Aided Metrology, 3 Waniewo, Πολωνία; (σελ. 75-8). [] Ullman L., About PHP and MySQL for Dynamic Web Sites: Visual QuickPro Guide. st Edition 3 by Peachpit Press. [3] Girman C.J.: Γήρανση στην ουρολογία. Πληθυσμιακές μελέτες για την επιδημιολογία της καλοήθους υπερπλασίας του προστάτη. British Journal of Urology. Συμπλήρωμα, 8 (998), (ρ ). [4] Αναγνώριση και θεραπεία της ΚΥΠ. Οι πραγματικές οδηγίες της Αμερικανικής Ουρολογικής Εταιρείας. The Practical Surgery Medicine, nr 5-6, 3. [5] Chang PL, Li YC, Wang TM, Huang ST, Hsieh ML, Tsui KH, Evaluation of a vendim-support system for preoperative stading of prostate cancer, Medical Decision Making 9 (4): Οκτ.-Δεκ

32Εργαστηριακή βάση σε πρόγραμμα περιήγησης Ιστού για μετρήσεις σε απόσταση Jaroslaw Makal, Adam Idzkowski και Adam Krasowski Περίληψη Η γενική περιγραφή της βάσης εργαστηρίου Διαδικτύου και της διαδικτυακής εφαρμογής της που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο μετρολογίας και τεχνικής πειράματος έχει παρουσιαστεί. Ορισμένες προτεινόμενες μελλοντικές βελτιώσεις σε αυτό το σύστημα εξ αποστάσεως εκπαίδευσης έχουν επίσης συζητηθεί στο τέλος αυτής της εργασίας Λέξεις-κλειδιά εξ αποστάσεως εκπαίδευσης, ASP.NET, IEEE-488. διεπαφή. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μέσω του Διαδικτύου θα μπορούσαν να γίνουν πολλά πραγματικά πειράματα από μαθητές στο πλαίσιο μαθημάτων εξ αποστάσεως e-learning. Ο πιο βολικός τρόπος για τις μετρήσεις θα ήταν η χρήση ενός προγράμματος περιήγησης Ιστού για τον έλεγχο των συσκευών και την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Μια τέτοια δήλωση ήταν ένα κίνητρο για τη δημιουργία εργαστηριακής βάσης ως εργαλείο για τη διδασκαλία της Θεωρίας των Κυκλωμάτων στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Bialystok. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε ένα απλό κύκλωμα DC. Μετράται το ρεύμα τροφοδοσίας και η τάση σε έναν κλάδο του ηλεκτρικού κυκλώματος. Οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα πρόγραμμα περιήγησης ιστού για να χειριστούν τρεις συσκευές μέσω της διεπαφής GPIB (IEEE-488.). Τα αποτελέσματα παρατηρούνται στη συνηθισμένη κάμερα web και μπορούν να αποθηκευτούν κατόπιν αιτήματος. (Internet Information Services) έκδοση 5. εγκατεστημένη. Το μοντέλο διαδικασίας εφαρμογής IIS αποτελείται από πυρήνα TCP/IP, Inetinfo.exe που εκτελεί εφαρμογές εντός διεργασίας (χαμηλή απομόνωση) και πολλαπλές διεργασίες DLLhost.exe που εκτελούν εφαρμογές συγκεντρωτικής ή εκτός διεργασίας (μέτρια ή υψηλή απομόνωση). Η ασφάλεια διασφαλίζεται από τον έλεγχο ταυτότητας των Windows, το SSL, το Kerberos και τον Οδηγό πιστοποιητικών διακομιστή Web []. Το προεγγεγραμμένο βίντεο από την κάμερα μετατρέπεται σε ροή από το Microsoft Windows Media Encoder 9. Αυτό το λογισμικό χρησιμοποιεί οποιαδήποτε κάμερα είναι εγκατεστημένη στον υπολογιστή και δεν απαιτεί πρόσθετα προγράμματα οδήγησης ή βιβλιοθήκες. Γ. Επικοινωνίες Η δυναμική ιστοσελίδα έχει δημιουργηθεί με τη χρήση της τεχνολογίας ASP.NET [-4]. Η εφαρμογή εγκαθίσταται στον διακομιστή και ένας πελάτης (μαθητής) επικοινωνεί μαζί του χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα περιήγησης ιστού. Το πλεονέκτημα αυτής της λύσης είναι ότι οι μαθητές, πριν από το II. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ, ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ A. Εξοπλισμός και διεπαφές Η καρδιά της βάσης εργαστηρίου είναι ένας προσωπικός υπολογιστής με IEEE-488. πλακέτα διασύνδεσης για το δίαυλο PCI (μοντέλο KPCI-488A της Keithley). Η πλακέτα λειτουργεί ως ελεγκτής συστήματος (Εικ. ) και ελέγχει τρία όργανα GPIB (τροφοδοτικό DC της Tektronics P5G, πολύμετρο Keithley DMM και γεννήτρια λειτουργιών Motech FG-53). Μια διαδικτυακή κάμερα συνδέεται μέσω διασύνδεσης USB στον διακομιστή και η εικόνα εμφανίζεται σε ένα πρόγραμμα περιήγησης ιστού κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. B. Λογισμικό διακομιστή Ο διακομιστής τρέχει σε Windows XP Professional με τις υπηρεσίες IIS Οι Jaroslaw Makal, Adam Idzkowski και Adam Krasowski είναι με τη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Bialystok Technical University, Wiejska 45D, 5-35 Bialystok, Poland, jaromaka@pb. pl Εικ.. Γενική άποψη για την επικοινωνία. λαμβάνοντας τις μετρήσεις, μην εγκαταστήσετε κανένα πρόσθετο λογισμικό στους δικούς τους υπολογιστές που δεν χρειάζεται να είναι σύγχρονο. Οι επικοινωνίες μεταξύ των συσκευών και του διακομιστή έχουν εκτελεστεί από την εφαρμογή μας, τη διεπαφή GPIB και τη βιβλιοθήκη ieee_3m.dll. Η πλακέτα διασύνδεσης GPIB συνεργάζεται με τις συσκευές που χρησιμοποιούν τη γλώσσα SCPI (Τυπικές εντολές για προγραμματιζόμενα όργανα). Η εφαρμογή μας στέλνει και λαμβάνει απλό 469

33In-browser lab for measuring commands and distance values. As an example of this, to adjust the voltage V at the output of the power supply, the command sour:volt is given. Figure 3. View of the laboratory base. V. CONCLUSIONS Fig. The board on which the power settings are programmed. III. USER INTERFACE The user interface was created using HTML and CSS (Cascading Style Sheets) scripts. Properly created forms as shown in Fig. are used for entering program data. The interface is user-friendly. You can make all the settings by selecting the corresponding point in the list and filling in any number in the field. Several ways of filling in numbers are possible, for example the number .. can be written as M, k or ^7. IV. LABORATORY EXERCISE The objective of the laboratory exercise is to find the DC characteristics of a P-N junction diode, any other electronic component or circuits. The results of continuous current and voltage measurements are displayed in a special laboratory window in the web browser. The default sampling time (voltage and current reading frequency) is 5 ms. The results, which help to visualize the I-U characteristics, are presented in a table and can be saved to a file. The base view of the laboratory is shown in Figure 3. ASP.NET and IIS technologies allow us to create server and user applications for defining distance measurements. CSS technology allows creating new formats and using other (total 4) measuring instruments with GPIB interface (signal generators, oscilloscopes, etc.) The user interface looks best in Internet Explorer because we used Windows Media Encoder 9 for video stream and Java applet and ActiveX control image display. In other web browsers, the image from the camera is not visible. Another disadvantage is that laboratory exercises can be performed by only one student. Online measurements can probably never replace actual contact with instruments. However, measurements performed in hazardous environments require remote control of instruments, which motivates such experiments in teaching. ACKNOWLEDGMENTS This paper was created within the framework of the project S/WE/3/3. The master's thesis (M.Sc.) on this topic was written by Adam Krasowski, a student of the Technical University in Bialystok. LITERATURE [] M. Tulloch. IIS Management (5), McGraw-Hill Osborne Media,. [] S. Worley, Inside ASP.NET, New Riders Publishing,. [3] D. S. Platt, Introducing Microsoft.NET, Second Edition, Washington, Microsoft Press,. [4] J. Liberty, D. Hurwitz, Polish translation: R. Górczyński ASP.NET. Programming, Helion, 6. 47

34Ηλεκτρονική αναγνώριση και παρακολούθηση παραμέτρων ασθενών Siniša Ranđić, Aleksandar Peulić, Adam Dostanić 3 and Marko Acović 4 Περίληψη - Σε αυτό το άρθρο έχει δείξει διαφορετική μέθοδο για την ασύρματη παρακολούθηση βιοϊατρικών δεδομένων ασθενών και τρόπων ασφαλείας. Το σύστημά μας αποτελείται από συσκευές αισθητήρων κινητικότητας και χρησιμοποιεί ασύρματη μεταφορά για την αποστολή μετρούμενων βιοϊατρικών δεδομένων σε κεντρικό υπολογιστή/διακομιστή βάσης δεδομένων στο νοσοκομείο. Το προτεινόμενο σύστημα τηλεχειρισμού υγείας υποστηρίζει μερικά επίπεδα, ένα πρώτο, επίπεδο με αισθητήρες για παρακολούθηση βιοϊατρικών δεδομένων, δεύτερο κεντρικό επίπεδο για μετρούμενα δεδομένα ασύρματης μεταφοράς, τρίτο κεντρικό σύστημα λήψης δεδομένων και τελευταίο, τέταρτο επίπεδο, αντίστοιχη εφαρμογή για αυτόματη ανάλυση. διεπαφή χρήστη για πρόσβαση στα δεδομένα και πολύ σημαντικό μέρος είναι η προστασία υλικού της πρόσβασης δεδομένων. Η συσκευή ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα και η ταυτότητα του ασθενούς πραγματοποιούν προστασία υλικού. Αυτό το σύστημα είναι βολικό για συνεχή παρακολούθηση ασθενών καθώς ενισχύει τη φροντίδα της υγείας του ασθενούς. Λέξεις-κλειδιά Παρακολούθηση βιοϊατρικών δεδομένων ασθενών, συσκευές αισθητήρων κινητικότητας, μετρούμενα δεδομένα ασύρματης μεταφοράς I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για να παρέχουμε καλύτερη ποιότητα στην ανθρώπινη υγειονομική υποστήριξη, θα πρέπει να μπορούμε να συλλέγουμε πολύ μεγάλο αριθμό ζωτικών σημείων ανθρώπων και να την παρακολουθούμε αποτελεσματικά. Το τρέχον σύστημα πρόνοιας βασίζεται στην τακτική συμβουλή γιατρού, για λογαριασμό του δικού μας συναισθήματος. Η ιδέα δεν είναι να αντικατασταθεί το τρέχον σύστημα, αλλά να το επεκταθεί με ένα περιβάλλον που χρησιμοποιεί τεχνολογίες πληροφοριών (IT) και ασύρματη δικτύωση, να παρέχει συνεχή παρακολούθηση των φυσιολογικών πληροφοριών κάποιου, να κάνει απλή διάγνωση και να επικοινωνεί όλα αυτά με ιατρικά ιδρύματα. Αυτή η περίπτωση προκύπτει όταν οι γιατροί θέλουν να παρακολουθούν άτομα των οποίων η χρόνια κατάσταση περιλαμβάνει κίνδυνο αιφνίδιας οξείας κατάστασης ή άτομα για τα οποία πρέπει να αξιολογηθούν οι παρεμβάσεις στο σπίτι και στο εξωτερικό περιβάλλον. Εάν οι παρατηρήσεις για μία ή δύο ημέρες είναι ικανοποιητικές, τα περιπατητικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή φυσιολογικών δεδομένων. Ένα προφανές παράδειγμα είναι η χρήση περιπατητών συστημάτων για την παρακολούθηση του ΗΚΓ, η οποία αποτελεί μέρος της συνήθους αξιολόγησης των καρδιαγγειακών ασθενών για σχεδόν τρεις δεκαετίες. Ωστόσο, τα περιπατητικά συστήματα δεν είναι κατάλληλα όταν η παρακολούθηση πρέπει να πραγματοποιηθεί σε περιόδους αρκετών εβδομάδων ή μηνών, όπως είναι επιθυμητό σε έναν αριθμό κλινικών εφαρμογών. Τα φορητά συστήματα δεν είναι καθόλου ενοχλητικές συσκευές που διαθέτει ο Siniša Ranđić στην Τεχνική Σχολή, Sv. Save 65, 3 Čačak, Serbia, Ο Aleksandar Peulić είναι με την Τεχνική Σχολή, Sv. Save 65, 3 Čačak, Σερβία, 3 Ο Adam Dostanić είναι με την Τεχνική Σχολή, Sv. Save 65, 3 Čačak, Σερβία, 4 Ο Marko Acović είναι με την Τεχνική Σχολή, Sv. Save 65, 3 Čačak, Serbia, επιτρέπουν στους γιατρούς να ξεπεράσουν τους περιορισμούς της περιπατητικής τεχνολογίας και να παρέχουν απάντηση στην ανάγκη παρακολούθησης των ατόμων για εβδομάδες ή και μήνες. Συνήθως βασίζονται σε ασύρματους, μικροσκοπικούς αισθητήρες που περικλείονται σε μπαλώματα ή επιδέσμους ή σε αντικείμενα που μπορούν να φορεθούν, όπως ένα δαχτυλίδι ή ένα πουκάμισο. Εκμεταλλεύονται τις φορητές μονάδες για να αποθηκεύουν προσωρινά φυσιολογικά δεδομένα και στη συνέχεια να ανεβάζουν περιοδικά αυτά τα δεδομένα σε έναν διακομιστή βάσης δεδομένων μέσω ενός ασύρματου LAN ή μιας βάσης που επιτρέπει τη σύνδεση στο Διαδίκτυο. II. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σε έναν φορετό ελεγκτή, ένα περιβάλλον λογισμικού επιτρέπει τη συσσώρευση δεδομένων από φυσιολογικούς αισθητήρες, την καταγραφή τους σε μια τοπική βάση δεδομένων, τη λειτουργία βασικών χειρισμών δεδομένων και την επικοινωνία δεδομένων με τη βάση δεδομένων σε ιατρικά ιδρύματα. Αυτά τα στοιχεία συνθέτουν συστήματα τηλεχειριστηρίου υγείας, η έννοια της οποίας φαίνεται στο Σχ. Εικ.. Σύστημα τηλεχειρισμού υγείας Ολόκληρο το σύστημα μπορεί να λειτουργήσει τόσο αυτόνομο όσο και ελεγχόμενο από υπολογιστή. Μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα μέρη, δίκτυο μετάδοσης δεδομένων ραδιοσυχνοτήτων, αναλογικές μονάδες μέτρησης, σταθμό βάσης που βασίζεται σε υπολογιστή (συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας δεδομένων) και προγραμματιζόμενες, φορητές μονάδες εγγραφής με επιλογές ανάδρασης. Οι κύριοι στόχοι του σχεδιασμού είναι το ελαφρύ, η ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, ο αρθρωτός σχεδιασμός και το στιβαρό κύκλωμα. Το Δίκτυο μεταξύ των μονάδων μέτρησης και του σταθμού βάσης υλοποιείται ως αμφίδρομη πολλαπλών σημείων, μονής κύριας ζεύξης RF, που λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων LPD (868 MHz) σε ένα μόνο κανάλι. Το δίκτυο μέτρησης ραδιοσυχνοτήτων αποτελείται από πολλές μονάδες μέτρησης (slave) (το πολύ 3 slaves είναι δυνατές) και από μία κύρια μονάδα. Η δομή του δικτύου είναι πλήρως δυναμική και σε λειτουργία με δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης και κλιμάκωσης. Η διαδικασία διαμόρφωσης του δικτύου RF είναι πλήρως αυτόματη σε συνδυασμό με το πρόγραμμα ελέγχου, που εκτελείται στον υπολογιστή ή στο σταθμό βάσης. Το 47

35Ηλεκτρονική αναγνώριση και παράμετροι ασθενούς Η διαδικασία αρχικοποίησης παρακολούθησης και η απαιτούμενη επικοινωνία μεταξύ της κύριας μονάδας και της μονάδας δίνουν τη δυνατότητα δυναμικού ελέγχου του δικτύου. Επομένως, είναι απαραίτητο να αρχικοποιήσετε μια υποτελή μονάδα σε έναν αποκλειστικό κύριο. Η λειτουργία του master είναι η slave polling και η απόκτηση δεδομένων. Η λειτουργία του slave είναι η αναγνώριση του πακέτου ελέγχου και η αποστολή δεδομένων στο master. Το master δρα σε άμεση σύνδεση με υπολογιστή μέσω USB ή RS3, συλλέγοντας πληροφορίες από σύνδεσμο RF και στέλνοντας στη βάση δεδομένων μέσω εφαρμογής υπολογιστή. Η ενέργεια χρήστη από την κύρια εφαρμογή υπολογιστή μεταφράζεται σε σκλάβους μέσω συνδέσμου RF. Είναι δυνατή η παράλληλη λειτουργία πολλών masters χρησιμοποιώντας διαφορετικά κανάλια. Ο σταθμός βάσης συλλέγει τη ροή δεδομένων των μονάδων που λειτουργούν παράλληλα και τα τροφοδοτεί μαζί. Το εύρος ζώνης ολόκληρου του συστήματος είναι 9 Baud. Το εύρος ζώνης κάθε slave είναι δυναμικά ελεγχόμενο από τον κύριο. Για κάθε slave δίνεται επίσης ένα κανάλι ρύθμισης παραμέτρων με κατεύθυνση προς τα πίσω. Σκοπός του είναι να διαμορφώσει το slave και να ελέγξει τις λειτουργίες υλικού της συσκευής μέτρησης. Η επιλογή καναλιού από τον κύριο διαχειρίζεται ένας αλγόριθμος ανίχνευσης σύγκρουσης για να διασφαλιστεί η χρήση του καναλιού με το ελάχιστο σήμα ισχύος ραδιοφώνου. Οι μεμονωμένες υποτελείς μονάδες (μέτρησης) ελέγχονται και επικοινωνούν με την κύρια μονάδα (PC) χρησιμοποιώντας ένα προσαρμοσμένο ασύρματο πρωτόκολλο. Χρησιμοποιούμε τυπικές μονάδες RF 868 MHz (RF Transceiver TRF69) επειδή η διαθέσιμη τεχνολογία Bluetooth απαιτεί τρεις έως πέντε φορές μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, μειώνουμε την κατανάλωση ενέργειας χρησιμοποιώντας ένα προσαρμοσμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας με εξοικονόμηση ενέργειας. Ο πυρήνας των ασύρματων μονάδων μας αποτελείται από έναν μικροελεγκτή χαμηλής κατανάλωσης Texas Instruments MPS43F49. Ο ελεγκτής διαθέτει αρχιτεκτονική 6 bit, εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (λιγότερη από ma στην ενεργή λειτουργία και ~ μa σε κατάσταση αναμονής), μνήμη flash 6 KB στο τσιπ, -KB RAM, μετατροπέα A/D -bit και διπλό UART. Εσωτερικά αναλογικά κανάλια μικροελεγκτή παρακολουθούν την τάση και τη θερμοκρασία της μπαταρίας. Επομένως, η υποτελής μονάδα είναι ικανή να αναφέρει την κατάσταση και τη θερμοκρασία της μπαταρίας στο ανώτερο επίπεδο στην ιεραρχία του συστήματος. Οι μονάδες Master και Slave σχηματίζουν ένα προσωπικό δίκτυο περιοχής, το οποίο σύστημα επικοινωνίας είναι ασύρματο, μεσαίας εμβέλειας (έως 4 μέτρα) και καταναλώνει λίγη ενέργεια, για πρακτική χρηστικότητα. Σύμφωνα με αυτές τις απαιτήσεις, κατασκευάζονται κυκλώματα μετάδοσης με χρήση ασθενούς ραδιοσυχνότητας. Κατά τη λήψη ζωτικών δεδομένων, η κύρια μονάδα τα καταγράφει αυτόματα σε μια τοπική βάση δεδομένων. Έχει σχεδιαστεί αρχιτεκτονική βάσης δεδομένων με επίκεντρο τις συνεδρίες μέτρησης και την ταξινόμηση βάσει χρόνου. Το περιβάλλον παρέχει επίσης λειτουργίες για την εμφάνιση πολλαπλών φυσιολογικών δεδομένων σε γραφήματα, τη διενέργεια χειρισμού γραφημάτων (ζουμ, διαφάνεια) και πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικά με τους αισθητήρες (κατασκευαστής, σειριακός αριθμός, εικόνα...). Αφού αποθηκευτούν τα δεδομένα, συνδυάζονται με πληροφορίες αισθητήρα (αριθμός αναγνωριστικού αισθητήρα, όνομα) και αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων του υπολογιστή. Έχει σχεδιαστεί για να διαχειρίζεται ασθενείς καθημερινά παρακολουθώντας μεμονωμένα δεδομένα, να παρέχει εργαλεία για την υποστήριξη της διαδικασίας διάγνωσης γιατρού και ένα πλαίσιο μεταδεδομένων για να διευκολύνει τις διαδικασίες όπως η ανάλυση συσχέτισης και η εξόρυξη δεδομένων. Η υπηρεσία WEB Internet είναι η μεταφορά δεδομένων είναι η επέκταση συστήματος. Η παρακολούθηση ασθενών σε μεγάλες αποστάσεις είναι διαθέσιμη και οι γιατροί έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ενέργειες από το σπίτι από παράδειγμα. Υπάρχουν και υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας και σχεδιάζουν ένα σύστημα που βασίζεται σε υπηρεσίες Διαδικτύου και κινητής τηλεφωνίας. Εικ.. Σύστημα παρακολούθησης ασθενών που βασίζεται στο Διαδίκτυο Ο σταθμός διακομιστή web του νοσοκομείου έχει διεύθυνση IP (Πρωτόκολλο Διαδικτύου). Η συμβολική διεύθυνση ιστού είναι απαραίτητη για απευθείας θέσεις δεδομένων ασθενών από διακομιστή WEB. Απαιτείται μια μονάδα κινητού τηλεφώνου για το σύστημα μικρών μηνυμάτων που είναι συνδεδεμένο απευθείας στον διακομιστή WEB μέσω μιας τυπικής διεπαφής RS3 ή USB. III. ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΓΝΩΣΤΗΣ ΒΑΡΚΩΔΙΚΟΥ Το σύστημα τηλεχειρισμού υγείας υποστηρίζει τρία επίπεδα ασφάλειας, ένα πρώτο, χαμηλότερο επίπεδο ασφάλειας ασθενούς, δεύτερο ένα επίπεδο γιατρού που εμπλέκεται στον προσωπικό υπολογιστή γιατρού και ανώτατο επίπεδο στον διακομιστή βάσης δεδομένων. Αυτό το κεφάλαιο περιγράφει το πρώτο επίπεδο ασφάλειας, υλοποιημένο πρόγραμμα ανάγνωσης καρτών γραμμωτού κώδικα. Κάθε ασθενής έχει τον δικό του αριθμό αναγνώρισης και τον δικό του κωδικό πρόσβασης ενσωματωμένο στην ταυτότητα. Η ταυτότητα έχει σκοπό να προστατεύσει την εξωτερική πρόσβαση στο σύστημα τηλεχειρισμού υγείας από μη εξουσιοδοτημένα άτομα. Η δεύτερη ευκολία είναι η αποθήκευση μιας σειράς ιατρικών ημερομηνιών που αφορούν τον κάτοχο της κάρτας. Η συσκευή ανάγνωσης καρτών υλοποιείται σαν εξωτερική συσκευή και συνδέεται με υπολογιστή μέσω σειριακής ή θύρας USB ή ασύρματης σύνδεσης, Blue Tooth για παράδειγμα, Εικόνα 3. Εικ. 3. Αναγνώστης γραμμικού κώδικα Συνδέσεις υπολογιστή Η συσκευή ανάγνωσης γραμμικού κώδικα διαβάζει τον προσωπικό αριθμό αναγνώρισης και τον κωδικό πρόσβασης από τη μνήμη της κάρτας και το στέλνει στον υπολογιστή. Η εφαρμογή Η/Υ υλοποιείται από τη Microsoft Visual C++ με σκοπό τη δημιουργία κάρτας αποδεκτής φόρμας δεδομένων ελέγχου επικοινωνίας και την άδεια ή την άρνηση πρόσβασης στο σύστημα. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Το ανεπτυγμένο σύστημα βασίζεται στο να επιτρέπει τη συνεχή παρακολούθηση των φυσιολογικών πληροφοριών του ασθενούς. Ένας φορετός ελεγκτής συλλέγει μετρημένα δεδομένα αισθητήρα. Ενσωματώστε το σε μια βάση δεδομένων, η οποία επιτρέπει την ανταλλαγή με ιατρικά ιδρύματα όπου ένα σύστημα διαχειρίζεται τη βάση δεδομένων για τα ζωτικά δεδομένα κάθε ασθενούς. Οι έξυπνες ιατρικές οθόνες μπορούν να μειώσουν σημαντικά τον αριθμό των νοσηλειών και των επισκέψεων νοσηλευτών. Σε περίπτωση ιατρικής έκτακτης ανάγκης, η κύρια μονάδα μπορεί να στείλει ένα μήνυμα SMS 47

36Siniša Ranđić, Aleksandar Peulić, Adam Dostanić and Marko Acović to a personal physician. Three layers of security are included to prevent and restrict access. The first level of security is the implementation of a barcode reader, and our future work will focus on improving the security capabilities of the system. LITERATURE [] Jovanov, E., Price, J., Rašković, D., Kavi K, Martin, T., Adhami R.: "Wireless Personal Area Networks in Telemedical Environment" Proceedings of Third International Conference on Information Technology in Biomedicine, (ITAB-ITIS), p. -7,. [] Jovanov, E., Price J., Raškovic, D, Moore, A., Chapman, J., Krishnamurthy A.: "Patient Monitoring Using Personal Wireless Intelligent Sensor Networks", Biomedical Sciences Instrumentation Vol. 37, in Proc. 38th Annual Rocky Mountain Bioengineering Symposium, RMBS, April, Copper Mountain Conference Centre, pp [3] Jovanov, E., O Donnel, A., Morgan A., Priddy, B., Hormigo, R.: "Extended Telemetry Monitoring Variability heart rate using wireless smart sensors and a mobile gateway", n.d. Joint EMBS-BMES, Houston, TX, October. [4] Jovanov, E., Price J., Raškovic, D, Moore, A., Chapman, J., Krishnamurthy A.: "Patient Monitoring Using Personal Wireless Intelligent Sensor Networks", Biomedical Scientific Instruments Vol. 37, in Proc. 38th Annual Rocky Mountain Bioengineering Symposium, RMBS, April, Copper Mountain Conference Centre, p [5] Peulic, A., Ranđić, S.: "Radio Frequency Measured Data Transmit", ICEST.-4. Oct., Niš, Yugoslavia, CD collection, Measurement Technique [6] Peulić, A., Ranđić, S.: "Computer Based High Radio Frequency Systems Control", TELSIKS.-3. October 3, Niš, Yugoslavia, Proceedings are on CD [7] Peulić, A., Ranđić, S.: "Computer Based Remote Measuring and Acquisition of Dynamic Data", ICEST October 3, Sofia, Bulgaria 473

37This page is intentionally left blank. 474

38SESSION SP II Signal processing II


40Συγκριτική Ανάλυση Βασικού Αυτο-Οργανιζόμενου Χάρτη και Νεογνήτρον για Χειρόγραφη Αναγνώριση Χαρακτήρων Ivo R. Draganov και Antoaneta A. Popova Περίληψη Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουμε μια συγκριτική ανάλυση της απόδοσης τόσο ως ακρίβεια όσο και ως κατανάλωση χρόνου δύο ταξινομητών νευρωνικών δικτύων για χειρόγραφη αναγνώριση χαρακτήρων ένας βασικός αυτοοργανωτικός χάρτης και νεογνήτρον που προτάθηκαν από τους Kohonen και Fukushima αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα της μελέτης μας βρέθηκαν χρήσιμα για την αναγνώριση χαρακτήρων και ψευδοχαρακτήρων ως ένα ορισμένο στάδιο επεξεργασίας σε ένα ολόκληρο σύστημα αναγνώρισης χειρογράφου. Λέξεις-κλειδιά χαρακτήρας, ψευδοχαρακτήρας, λέξη, αναγνώριση χειρογράφου, αυτοοργανωμένος χάρτης, νεογνώτρον. ταξινομητές είναι πιο κατάλληλο να συμπεριληφθούν σε ένα πλήρες σύστημα αναγνώρισης γραφής. II. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΓΚΡΙΤΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΕΝΩΝ Η αρχιτεκτονική του αυτο-οργανωτικού χάρτη χαρακτηριστικών (SOFM) που χρησιμοποιείται στα πειράματά μας δίνεται στο Σχήμα. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μια πιθανή ιδέα που χρησιμοποιείται σε ορισμένα συστήματα αναγνώρισης λέξεων χειρόγραφου είναι ο διαχωρισμός των λέξεων σε μεμονωμένους χαρακτήρες και ψευδο-χαρακτήρες [ ]. Επομένως, τα διαχωρισμένα στοιχεία μιας λέξης θα πρέπει να αναγνωρίζονται σε μεταγενέστερο στάδιο σε αυτά τα συστήματα χρησιμοποιώντας έναν αριθμό προκαταρκτικών επιλεγμένων κανόνων που βασίζονται σε κοινά χαρακτηριστικά γραφής και γλώσσας για να σχηματίσουν υποθέσεις λέξεων. Αφού επιβεβαιώσουμε ή απορρίψουμε αυτές τις υποθέσεις εφαρμόζοντας επαλήθευση λεξικού μαζί με στατιστικά στοιχεία γλώσσας και άλλες τεχνικές, είμαστε σε θέση να αναγνωρίσουμε το χειρόγραφο κείμενο λέξη προς λέξη. Λαμβάνοντας υπόψη τον μεγάλο αριθμό μεθόδων που αναπτύχθηκαν για χειρόγραφη αναγνώριση χαρακτήρων [,6] και την ικανότητά τους να αναγνωρίζουν ψευδο-χαρακτήρες (τμήματα ενός ή περισσότερων χαρακτήρων), αποφασίζουμε να συγκρίνουμε απευθείας έναν αυτο-οργανωμένο χάρτη [3] και ένα νεογνώτρινο [4] προτάθηκε από τους Kohonen και Fukushima αντίστοιχα. Αυτά τα δύο αυτομάθητα νευρωνικά δίκτυα θα συγκριθούν στη βασική τους μορφή λαμβάνοντας υπόψη την ακρίβεια αναγνώρισης με εικόνες υψηλής ποιότητας χαρακτήρων χωρίς θόρυβο, μετατοπίσεις κ.λπ. Ο κύριος στόχος μας είναι να μάθουμε σε ποιο βαθμό διαφέρουν μεταξύ τους ως προς την αναγνώρισή τους ικανότητα που βασίζεται στη διαφορετική αρχιτεκτονική και αρχές λειτουργίας που έχουν όταν τους διαβιβάζονται δεδομένα δοκιμών υψηλής ποιότητας. Στο επόμενο μέρος παρουσιάζουμε μια περιγραφή της δομής, της προεπεξεργασίας, της μάθησης και των αλγορίθμων αναγνώρισης που χρησιμοποιήθηκαν και για τα δύο δίκτυα στη μελέτη μας. Το τρίτο μέρος περιέχει τα πειραματικά αποτελέσματα για διαφορετικές παραμέτρους που ορίζονται στο δεύτερο μέρος. Στο τελευταίο μέρος συνάγεται ένα συμπέρασμα ποιος από αυτούς είναι ο Ivo R. Draganov με το Faculty of Communications and Communications Technologies, Technical University, Kliment Ohridski 8, Sofia, Bulgaria, Η Antoaneta A. Popova είναι με τη Σχολή Communications and Communications Technologies, Technical University, Kliment Ohridski 8, Sofia, Bulgaria, 477 Εικ.. Αρχιτεκτονική χάρτη χαρακτηριστικών αυτοοργάνωσης Η είσοδος λαμβάνει διαδοχικά διανύσματα p με διαστάσεις Rx, όπου R=56, κάθε p αντιπροσωπεύει έναν χαρακτήρα (ή ψευδοχαρακτήρα). Αρχικά χρησιμοποιούνται εικόνες σε κλίμακα του γκρι για τους ξεχωριστούς χαρακτήρες τις οποίες δυαδίζουμε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Otsu. Στη συνέχεια αλλάζουμε το μέγεθος του δυαδικού συμβόλου σε 56x56 pixel με παρεμβολή πλησιέστερου γείτονα. Στη συνέχεια λεπτύνετε ή πυκνώστε το πλάτος της πένας που χρησιμοποιείται για τα εικονοστοιχεία χρησιμοποιώντας διάβρωση ή διαστολή l φορές: l = t, () όπου t είναι το αρχικό πλάτος της πένας που βρίσκεται ως μέγιστη τιμή σε ένα ιστόγραμμα που αντιπροσωπεύει όλα τα πλάτη της πένας ( αριθμός των κλειστών μεταξύ μηδενικών για κάθε γραμμή της εικόνας, εάν χρησιμοποιείται ανεστραμμένο) στη δυαδική εικόνα με αλλαγή μεγέθους. Αυτό το βήμα προεπεξεργασίας είναι απαραίτητο για να γίνουν οι χαρακτήρες όσο το δυνατόν πιο αμετάβλητοι για τον περαιτέρω σχηματισμό του μαθησιακού αποσπάσματος. Τέλος διαιρούμε την εικόνα του αποτελέσματος σε μπλοκ μεγέθους 6x6 pixel. Υπολογίζεται ο αριθμός των εικονοστοιχείων (ένα για παράδειγμα) που αντιστοιχούν σε χαρακτήρα σε κάθε μπλοκ και η κανονικοποιημένη τιμή (στην περιοχή [,]) σχηματίζει μια αντίστοιχη συνιστώσα για το διάνυσμα εισόδου p. Τα μπλοκ περνούν από αριστερά προς τα δεξιά και από πάνω προς τα κάτω. Χρησιμοποιούμε τον αρχικό κανόνα εκμάθησης Kohonen που ορίζεται ως: wi ( q) = wi ( q ) + α[ p( q) wi ( q )] =, () = ( α) w ( q ) + αp( q) i

41Συγκριτική Ανάλυση Βασικού Αυτο-Οργανιζόμενου Χάρτη και Νεογνωστικόντρον για Χειρόγραφη Αναγνώριση Χαρακτήρων όπου i δηλώνει έναν μεμονωμένο νευρώνα. w το βάρος του νευρώνα. q τρέχον βήμα; α το ποσοστό μάθησης. Το N i (d) είναι η γειτονιά γύρω από έναν νευρώνα που κερδίζει από την οποία πρέπει να ενημερωθούν τα βάρη όλων των νευρώνων j. Εδώ d είναι η ακτίνα της γειτονιάς: N ( d) = { j, d d}. (3) i IW, από το Σχ. είναι ένας πίνακας βάρους για όλους τους νευρώνες εισόδου S (ίσος με τον αριθμό των κλάσεων/υποκατηγοριών για όλους τους χαρακτήρες) με βάρη R ο καθένας. n i είναι το αποτέλεσμα από την εύρεση της απόστασης από το p έως την i-η στήλη του IW, :, ni = IWi p, (4) που περνά στο ανταγωνιστικό στρώμα C, η έξοδος από την οποία ένα διάνυσμα Sx που περιέχει ένα συστατικό ίσο με, υποδεικνύει ο αναγνωρισμένος χαρακτήρας και όλα τα άλλα συστατικά ίσα με. Δεδομένων των βημάτων προεπεξεργασίας από πάνω, είναι σαφές ότι το SOFM μας λειτουργεί σε χώρο 56 διαστάσεων, για κάθε διάσταση του οποίου ορίζεται ένα εύρος έως. Χρησιμοποιούμε αρχικοποίηση μεσαίου σημείου για όλα τα βάρη των νευρώνων (.5). Ο ρυθμός μάθησης α και η απόσταση γειτονιάς d μεταβάλλονται μέσω της διαδικασίας μάθησης. Διαρκεί για έναν δεδομένο αριθμό βημάτων Q. Η απόσταση γειτονιάς ξεκινά ως η μέγιστη απόσταση d max (υπολογισμένη στο πρώτο βήμα) μεταξύ δύο νευρώνων και μειώνεται στην προκαταρκτικά καθορισμένη τελική απόσταση γειτονιάς d min. Ομοίως ο ρυθμός εκμάθησης ξεκινά από κάποια αρχική τιμή α init και μειώνεται μέχρι να φτάσει σε κάποιο μικρότερο ένα άκρο α και τα δύο είναι προκαταρκτικά σετ. Καθώς τα d και α μειώνονται, οι νευρώνες του δικτύου τυπικά διατάσσονται στον χώρο εισόδου με την ίδια τοπολογία στην οποία ταξινομούνται φυσικά. Το νεογνώσιτρο εκτελεί ταξινόμηση των εισροών μέσω μιας διαδοχής λειτουργικά ισοδύναμων σταδίων. Κάθε στάδιο εξάγει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά από την έξοδο του προηγούμενου σταδίου και στη συνέχεια σχηματίζει μια συμπιεσμένη αναπαράσταση αυτών των εξαγόμενων χαρακτηριστικών. Το Σχ. δείχνει τη δομή του νεογνώτρου για μια περίπτωση αναγνώρισης αντικειμένων (π.χ. ψηφία). ij πεδίο. Η συμπεριφορά ενός κυττάρου S μπορεί να διατυπωθεί μαθηματικά ως συνάρτηση φ(.) της ενεργοποίησης ενός κυττάρου: o( x) = rlϕ ( a( x)), (5) T + x w a( x) =, (6 ) rl +. bl. rms( x) + rl όπου x είναι το διάνυσμα των δραστηριοτήτων που υπάρχουν στην είσοδο του δεκτικού πεδίου, w είναι το διάνυσμα βαρών που μαθαίνονται από το κελί S και r l είναι η παράμετρος επιλεκτικότητας που βρίσκεται από έναν ξεχωριστό αλγόριθμο εκπαίδευσης κλειστής μορφής τον οποίο θα δεν συζητούν. Η δραστηριότητα rms της εισόδου στο κελί S ορίζεται από: N rms( x) = c x, (7) i= όπου το διάνυσμα c=[c,,c N ] T περιγράφει έναν πυρήνα Gauss που χρησιμεύει για να τονίζει τις εισόδους προς το κέντρο του δεκτικού πεδίου του κελιού, καθώς και την εφαρμογή του αριθμητικού μέσου όρου των εισόδων. b l είναι ένας παράγοντας που ορίζεται από τον κανόνα εκμάθησης για τη μεγιστοποίηση της απόκρισης του κυττάρου σε οποιοδήποτε χαρακτηριστικό εκπαίδευσης. Ενδιαφέρον εδώ είναι η συνάρτηση μεταφοράς κυττάρων S που θεωρείται ότι επηρεάζει την ακρίβεια της τελικής αναγνώρισης [5]. Αρχικά η Φουκουσίμα χρησιμοποιούσε μια γραμμική συνάρτηση κατωφλίου της μορφής:, a < ϕ ThreshLin ( a) =, (8) a, αλλά εδώ θα χρησιμοποιήσουμε άλλες δύο συναρτήσεις μεταφοράς στα πειράματά μας την πιο απλή συνάρτηση κατωφλίου:, a < ϕ Thresh (a) =,, a (9) και η συνάρτηση μεταφοράς σιγμοειδούς: ϕ Sig ( a) = βa + e. () Το Σχ. 3 δείχνει τη δομή ενός κυττάρου S μαζί με τις περιγραφόμενες λειτουργίες μεταφοράς. i i Εικ.. Δομή ενός νεογνωστικού για αντικείμενα Η εξαγωγή χαρακτηριστικών εκτελείται από συστοιχίες κυττάρων S που έχουν εκπαιδευτεί να ανταποκρίνονται σε ορισμένα χαρακτηριστικά που χαρακτηρίζουν τα μοτίβα εισόδου U όπως φαίνεται από το Σχ.. Μετά την εκπαίδευση το διάνυσμα βάρους του ένα κελί S είναι ίσο με το άθροισμα των εισόδων που έχουν εμφανιστεί στο δεκτικό του πεδίο. Κάθε κύτταρο S λαμβάνει επίσης ένα ανασταλτικό σήμα ανάλογο με τη δραστηριότητα μέσης τετραγωνικής ρίζας (rms) που υπάρχει στο δεκτικό του Σχήμα 3. Δομή κυψελών S με διαφορετικές συναρτήσεις μεταφοράς Τα κύτταρα C συμπιέζουν την αναπαράσταση. Η είσοδος σε ένα κύτταρο C από το δεκτικό του πεδίο είναι μια υποδειγματοληψία της δραστηριότητας στο προηγούμενο επίπεδο S. Με την υποδειγματοληψία αυτής της δραστηριότητας, λαμβάνεται μια συμπιεσμένη αναπαράσταση της εξόδου του επιπέδου S. Το C-cell θολώνει επίσης τις ενεργοποιήσεις των προηγούμενων επιπέδων S εκτελώντας ένα σταθμισμένο άθροισμα εισόδων, αυτή τη φορά χρησιμοποιώντας σταθερά βάρη που περιγράφουν έναν πυρήνα Gauss. Αν συμβολίσουμε το 478

42Οι Ivo R. Draganov και Antoaneta A. Popova υποδειγματοποίησαν την είσοδο ως διάνυσμα x και τον πυρήνα του Gauss ως w και, στη συνέχεια, η ενεργοποίηση ενός κυττάρου C στην αρχική περιγραφή του νεοκόγνιτρον στη Φουκουσίμα μπορεί να γραφτεί ως: a ( x) = w T x . () Αυτός ο σταθμισμένος μέσος όρος περνά στη συνέχεια μέσω μιας συνάρτησης μεταφοράς που περιορίζει την έξοδο του κελιού C στο [,): a ψ Μέσος όρος (a) =. () + a Εδώ είναι η δεύτερη διαφορά από το πολύ αυθεντικό νεογνωστικό της Φουκουσίμα. Και πάλι στο [5] σημειώνεται ότι η θόλωση της δραστηριότητας του επιπέδου S από τα C-κύτταρα είναι σημαντική για να επιτρέψει στο νεογνωστικόντρο να είναι ανεκτικό σε σημαντικό βαθμό παραμόρφωσης εισόδου. Έτσι ένα φίλτρο κατάταξης ενσωματώνεται στην ίδια τη δομή του κυττάρου C. Η έξοδος του τροποποιημένου κελιού C δίνεται ως εξής: ψ ( x) = max x w, (3) Max όπου x=[x,,x N ] T είναι πάλι το υποδειγματοληπτικό διάνυσμα εισόδου και w=[w,,w N ] T είναι ο πυρήνας του Gauss. Αναφερόμαστε στην Εξ. (3) ως σταθμισμένη μέγιστη πράξη. III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Όλα τα πειράματα υλοποιούνται σε υπολογιστή συμβατό με IBM με επεξεργαστή Pentium 4 που λειτουργεί στα 5 GHz, 56 MB RAM. Το λειτουργικό σύστημα είναι MS Windows XP με SP και το περιβάλλον εργασίας είναι Matlab 7.. SP. Η βάση δεδομένων μας που συλλέγεται από διαφορετικούς συγγραφείς περιέχει εικόνες 45 πεζών και κεφαλαίων λατινικών χαρακτήρων και ψηφίων (8-bpp κλίμακα του γκρι, 5 dpi). Από αυτές χρησιμοποιούμε 85 προεπεξεργασμένες (φιλτραρισμένες με φίλτρα διάμεσου και εύρους) εικόνες πεζών χαρακτήρων για την εκπαίδευση των δικτύων και στη συνέχεια 6 πρόσθετες εικόνες που αποτελούν το δοκιμαστικό σύνολο (για τη φάση αναγνώρισης) αν και ένα σύνολο 4 θεωρείται αρκετό [ 5]. Χρησιμοποιούμε τις ακόλουθες παραμέτρους για τη σύγκριση ακρίβειας: σχετικός αριθμός σωστά αναγνωρισμένων χαρακτήρων: mc rc =., %, (4) m όπου m είναι ο αριθμός των χαρακτήρων που πέρασαν για αναγνώριση (m=6). m c τον αριθμό των σωστά αναγνωρισμένων. Σχετικός αριθμός εσφαλμένων ταξινομημένων χαρακτήρων: mw rw =., %, (5) m όπου το m w αντιπροσωπεύει τον απόλυτο αριθμό λανθασμένα αναγνωρισμένων χαρακτήρων. σχετικός αριθμός μη ταξινομημένων χαρακτήρων: mn rn =., %, (6) m όπου m n αντιπροσωπεύει τον απόλυτο αριθμό των μη ταξινομημένων (απορριφθέντων) χαρακτήρων. i i i Το πρώτο μας πείραμα περιλαμβάνει την εύρεση της βέλτιστης τιμής για τον ελάχιστο ρυθμό εκμάθησης α min του SOFM. Θέτουμε α max =.9 και d min =. μια μεσαία τιμή για το τυπικό διάστημα εργασίας [.,] για τη συγκεκριμένη περίπτωση. Πριν από τη φάση της αναγνώρισης εκπαιδεύουμε το δίκτυο για εποχές με 6 τάξεις με 5 υποκατηγορίες για κάθε παρούσα. Η λεγόμενη τοπολογία gridtop χρησιμοποιείται μαζί με την Ευκλείδεια απόσταση. Το κριτήριο απόρριψης είναι d> -6. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα I. ΠΙΝΑΚΑΣ I ΕΥΡΕΣΗ ΤΟΥ ΒΕΛΤΙΣΤΙΚΟΥ ΕΛΑΧΙΣΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΓΙΑ SOFM α min Αναγνώριση r c, % r w, % r n, % Η γραφική αναπαράσταση των αποτελεσμάτων από τον Πίνακα I δίνεται στο Σχ.4. r c,r w,r n,% r c r w r n α min,- Εικ.4. r c, r w, r n ως συναρτήσεις του α min για το SOFM Δεδομένων των παραπάνω αποτελεσμάτων επιλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε το α min =.6 ως βέλτιστη τιμή επειδή ο αριθμός των σωστά αναγνωρισμένων χαρακτήρων είναι μέγιστος για αυτό. Έτσι το επόμενο πείραμα αφορά την ακτίνα της γειτονιάς για σταθερό α min μειώνουμε d min από -5 κατά συντελεστή. Και πάλι το SOFM μας εκπαιδεύεται για εποχές, 6 τάξεις με 5 υποτάξεις. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα II. ΠΙΝΑΚΑΣ II ΕΥΡΕΣΗ ΤΗΣ ΒΕΛΤΙΣΤΙΚΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΓΕΙΤΟΝΙΑΣ ΓΙΑ SOFM d min Αναγνώριση r c, % r w, % r n, %

43Comparative analysis of the self-organizing base map and neognositron for recognizing handwritten characters. The graphic representation of the results from Table I is shown in Fig. 4. The results for neognitron using the same training and test data are shown in Table IV. The only parameter we change is the S-cell transfer function as shown. The values ​​of other parameters for this experiment are given in [5]. r c,r w,r n,% r w r n r c TABLE IV RECOGNITION ACCURACY FOR NEOCOGNITRON φ(.) Recognition Thresh ThreshLin Sigmoid r c, % r w, % r n, % IV. CONCLUSION d min, - Fig.5. r c, r w, r n as functions of α min for SOFM Now we have optimal α min =.6 and d min =.. How the number of training epochs affects the SOFM recognition process, for 6 classes with 5 subclasses, is shown in Table III and graphs in Fig. 6. The order of training time consumption is as follows for epochs of a few minutes, for about one hour and for more than 8 hours. r c,r w,r n,% TABLE III INFLUENCE OF THE NUMBER OF EPISODES FOR SOFM EPISODES Recognition r c, % r w, % r n, % r c r w r n 3 Epochs,- Fig.6. r c, r w, r n as functions of numerical epochs for SOFM It is obvious that SOFM is equivalent to neocognitor in terms of recognition accuracy when a reasonable amount of time is spent on training (- epochs) and high-quality pre-processed test data are used (low levels of noise, shifts, etc. ). The latter confirms the need and important role of quality pre-processing. For both - learning rate and neighborhood distance for SOFM, suitable values ​​should be found during training, as they greatly affect the final recognition accuracy. As the neighborhood distance decreases and tilts, the SOFM behaves more like a simple competitive neural network, which is explained by its operating principle. Regarding the transfer function of the newborn S-cell, it can be seen that the sigmoid is the best choice of the three tested. In the other two cases, neocognitrin lags behind SOFM in recognition accuracy. Depending on the circumstances, both networks can be implemented into a complete handwriting recognition system. REFERENCES [] R. Bozinovic and S. Srihari, Off-line Cursive Script Word Recognition, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol., pp , 989. [] O. Trier, A. Jain and T. Taxt, Feature Extraction methods for character recognition Survey, Pattern Recognition, vol. 9, no. 4, pp , 996. [3] T. Kohonen, The Self-Organizing Map, Proceedings of IEEE, vol. 78, no. 9, p , 99. [4] K. Fukushima, Neocognitron: A self-organizing neural network model for a position-invariant pattern recognition mechanism, Biological Cybernetics, vol. 36, no. 4, p. 93-, 98. [5] K. Fukushima and N. Wake, Handwritten recognition of alphanumeric characters using Neocognitron, IEEE Transactions on Neural Networks, vol., no. 3, p , 99. [6] A. Bekiarski and L. Batchishing, Selection of structure features for recognition of Mongolian letters, Electrical Engineering and Electronics, XXXII, no. -, p,

44Συγκριτική ανάλυση αλγορίθμων ολοκληρωτικού λογισμού στην αξιολόγηση μαγνητικών σημάτων Περίληψη - Το άρθρο παρουσιάζει τρεις προσεγγίσεις για τον υπολογισμό των μαγνητικών σημάτων χαμηλής συχνότητας, που βασίζονται στην άμεση ολοκλήρωση του νόμου Biot-Savart χρησιμοποιώντας πλήρη ελλειπτικά ολοκληρώματα. Οι διαφορές είναι στην επιλεγμένη προσέγγιση για τον πλήρη ελλειπτικό ολοκλήρωμα υπολογισμό. Οι μέθοδοι που συζητήθηκαν υλοποιούνται σε γλώσσα προγραμματισμού C# και τα αποτελέσματα της εκτέλεσής τους συγκρίνονται τόσο οπτικά όσο και αριθμητικά. Λέξεις-κλειδιά ολοκληρωτικοί αλγόριθμοι λογισμών, πλήρη ελλειπτικά ολοκληρώματα, μαγνητικό πεδίο χαμηλής συχνότητας I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο στόχος του παρουσιαζόμενου στοιχείου προγράμματος είναι να εκθέσει μια εύχρηστη και κατανοητή προσέγγιση για την αξιολόγηση της ακρίβειας του μαγνητικού πεδίου χαμηλής συχνότητας υπολογισμός όταν έχουν χρησιμοποιηθεί διαφορετικές μέθοδοι για την επίλυση ελλειπτικών ολοκληρωμάτων. Αναπτύχθηκαν δύο τρόποι αξιολόγησης ακριβείας: Αριθμητική σύγκριση. Οπτική σύγκριση (γραφήματα D). Και οι δύο τρόποι βασίζονται στη σύγκριση των αποτελεσμάτων του υπολογισμού του μαγνητικού πεδίου νόμου-συχνότητας, που εκτελείται χρησιμοποιώντας τον υπολογισμό etalon και τον υπολογισμό αντιστοίχισης. Ο υπολογισμός του Etalon πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τον τύπο για σημεία επί άξονα []. Ο υπολογισμός αντιστοίχισης εκτελείται χρησιμοποιώντας τους τύπους για σημεία εκτός άξονα με βάση το μαγνητικό δυναμικό που περιλαμβάνει πλήρη ελλειπτικά ολοκληρώματα πρώτου και δεύτερου είδους []: π / dβ K = () k sin β π / L = k sin β. dβ () Και στις δύο περιπτώσεις οι υπολογισμοί γίνονται για το ίδιο σύνολο σημείων του άξονα z που είναι κάθετο στο επίπεδο της τρέχουσας στροφής. Οι διαφορές στην ακρίβεια των υπολογισμών προκαλούνται από τη μέθοδο που επιλέχθηκε για τον ελλειπτικό ολοκληρωτικό υπολογισμό: Χρήση διαγράμματος. Χρήση ελλειπτικών ολοκληρωμένων πινάκων. Χρησιμοποιώντας Αριθμητικό-Γεωμετρικό-Μέσο. Ο υπολογισμός του μαγνητικού πεδίου για διαφορετικές περιπτώσεις πηνίων πηγών πεδίου με μεγάλο αριθμό στροφών ρεύματος απαιτεί μεγάλο αριθμό υπολογισμών για μεγάλο αριθμό σημείων στην περιοχή που επηρεάζεται από το πεδίο. Χρειαζόμαστε μια μέθοδο που θα εγγυάται μειωμένη πολυπλοκότητα για μεγάλο αριθμό σημείων πεδίου, δηλαδή με μια μήτρα σημείων σχεδόν 9 ή περισσότερα. Η Virginya T. Dimitrova είναι στη Σχολή Συστημάτων Υπολογιστών και Ελέγχου, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, Σόφια, Βουλγαρία, Virginya Dimitrova 48 Η μέθοδος πρέπει επίσης να εγγυάται καλή ακρίβεια των υπολογισμών. Το κύριο μέρος των υπολογισμών πεδίου σχετίζεται με την πλήρη αξιολόγηση των ελλειπτικών ολοκληρωμάτων. Κατά συνέπεια, η βελτίωση της ακρίβειας, η μείωση της πολυπλοκότητας των υπολογισμών και η βελτιστοποίηση της κατανάλωσης μνήμης μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας την καταλληλότερη μέθοδο για πλήρη αξιολόγηση ελλειπτικών ολοκληρωμάτων. Η πρώτη εφαρμοσμένη μέθοδος μπορεί να προσδιοριστεί ως άμεση μέθοδος και χρησιμοποιεί ένα διάγραμμα για να υπολογίσει τα πλήρη ελλειπτικά ολοκληρώματα πρώτου και δεύτερου είδους K(k) και L(k) για τις αντίστοιχες τιμές του k. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η ανάγκη αποθήκευσης τιμών κινητής υποδιαστολής στη μνήμη ως στοιχεία πινάκων (για παράδειγμα), περιορίζοντας έτσι το βήμα της διακριτοποίησης για να αποφευχθεί η μεγέθυνση των πινάκων. Εκτός από τα σφάλματα διακριτοποίησης, αυτή η μέθοδος δεν εξασφαλίζει αρκετή ακρίβεια για την αδυναμία λήψης πραγματικών τιμών για τα K(k) και L(k) με περισσότερα από δύο ψηφία μετά την υποδιαστολή από το διάγραμμα. Ωστόσο, η μέθοδος έχει κάποια πλεονεκτήματα: το σχετικά μικρό μέγεθος των πινάκων και η στατική τους φύση επιτρέπει την υλοποίηση με στατικούς πίνακες αντί για συνδεδεμένες λίστες και επομένως χρειάζονται μόνο δύο λειτουργίες γρήγορης ευρετηρίασης ανά τιμή k για να ληφθούν οι τιμές K(k) και L(k). . Η δεύτερη εφαρμοσμένη μέθοδος είναι επίσης μια άμεση μέθοδος όπως η πρώτη, αλλά βασίζεται σε υπολογισμούς (όχι στις προκαθορισμένες τιμές που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη). Αυτή η μέθοδος εξοικονομεί μνήμη αλλά αντί για λειτουργίες γρήγορης ευρετηρίασης χρησιμοποιεί το λεγόμενο modulus m = -k και σταθερές διπλής ακρίβειας σε πολλές πράξεις πολλαπλασιασμού και πρόσθεσης. (Η μέθοδος βασίζεται στην υπορουτίνα FORTRAN COMELP, που έχει ξαναγραφτεί σε γλώσσα C#). Η τρίτη εφαρμοσμένη μέθοδος μπορεί να προσδιοριστεί ως επαναληπτική μέθοδος (ξεκινά από μια εικασία και βρίσκει διαδοχικές προσεγγίσεις που συγκλίνουν στη λύση) και είναι αποτελεσματική και αριθμητικά σταθερή. Αυτή η μέθοδος υπολογίζει τα ελλειπτικά ολοκληρώματα Legendre k(k) και L(k) υπολογίζοντας τα ισοδύναμα ελλειπτικά ολοκληρώματα Carlson και τις αντίστοιχες ρουτίνες RC, RF και RJ, που γράφτηκαν αρχικά σε FORTRAN και ξαναγράφτηκαν σε γλώσσα C#. Τα ελλειπτικά ολοκληρώματα που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό του μαγνητικού πεδίου εκφράζονται με τη σημείωση του Legendre. Η αριθμητική σύγκριση πραγματοποιείται με δύο τρόπους: Σύγκριση μεμονωμένων τιμών. Σύγκριση πολλαπλών τιμών. Όταν χρησιμοποιείται η πρώτη λειτουργία, η τιμή της συντεταγμένης z του σημείου στο οποίο πρέπει να υπολογιστεί η μαγνητική επαγωγή B εισάγεται από το πληκτρολόγιο και εμφανίζονται οι δύο συγκριμένες αριθμητικές τιμές καθώς και η διαφορά τους. Στη δεύτερη λειτουργία, η μαγνητική επαγωγή Β υπολογίζεται για το προκαθορισμένο σύνολο σημείων και οι αντίστοιχες συγκριτικές τιμές εμφανίζονται σε μορφή σειρών και στηλών (έλεγχος Φόρμες Windows DataGrid).

45Συγκριτική Ανάλυση Ολοκληρωμένων Αλγορίθμων Λογισμού σε Αξιολόγηση Μαγνητικών Σημάτων Σε σχέση με την οπτική σύγκριση παρέχονται δύο διαφορετικές γραφικές αναπαραστάσεις των αποτελεσμάτων της ανάλυσης ακριβείας: Γράφημα D με συντεταγμένες z σημείων στον άξονα Χ και υπολογισμένες τιμές Β (με χρήση της μεθόδου etalon και μέθοδος αντιστοίχισης) σε διαφορετικά χρώματα στον άξονα Υ. Γράφημα D με συντεταγμένες z των σημείων στον άξονα Χ και τη διαφορά των υπολογιζόμενων τιμών Β (μέθοδος etalon και μέθοδος αντιστοίχισης) στον άξονα Υ. II. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Ο πυρήνας του προγράμματος είναι ο αλγόριθμος που φαίνεται στην εικ. Παρέχει όλες τις δυνατότητες που απαιτούνται για την ικανοποίηση του στόχου του προγράμματος. Εμφάνιση ζεύγους/ζευγών τιμών Αρχή Επιλογή Σημείων/ων Υπολογισμός Etalon Αντιστοίχιση υπολογισμού Τύπος αναπαράστασης; Τέλος Σχήμα. Διάγραμμα ροής του προγράμματος III. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Τύπος γραφήματος; Μέγιστη τιμή Συντελεστής κλίμακας Draw D graph Difference Η απόφαση προγράμματος δημιουργείται χρησιμοποιώντας περιβάλλον προγράμματος Visual Studio.NET, γλώσσα προγραμματισμού C# και πρότυπο εφαρμογής Windows Forms. Οι μέθοδοι για τον υπολογισμό της μαγνητικής επαγωγής τοποθετούνται σε ξεχωριστή κλάση FieldCalcs. Για να επιτευχθεί η καθολικότητα (ικανότητα υπολογισμού της μαγνητικής επαγωγής για κάθε σημείο του χώρου) ο κατασκευαστής έχει δύο παραμέτρους τις τιμές των ρ και z. Για την τρέχουσα υλοποίηση η τιμή της πρώτης παραμέτρου είναι πάντα. και μόνο η δεύτερη παράμετρος αλλάζει την τιμή της. Παρέχονται ξεχωριστές μέθοδοι για τον υπολογισμό: μέθοδος BonZ() etalon για σημεία εντός άξονα και μέθοδος αντιστοίχισης BEveryWhere() για σημεία εκτός άξονα. Η μέθοδος BEveryWhere() έχει μια παράμετρο που μεταβιβάζεται με χρήση του μηχανισμού εκπροσώπου, επιτρέποντας έτσι τη δυναμική αλλαγή της μεθόδου που χρησιμοποιείται για τον πλήρη υπολογισμό των ελλειπτικών ολοκληρωμάτων (εικ. ). FieldCalc class BonZ ( ) BEveryWhere ( ) Delegate EllipIntegralsCalc class Graph ( ) Πίνακας ( ) AGM ( ) Εικόνα. Στοιχεία προγράμματος IV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Το παρουσιαζόμενο στοιχείο του προγράμματος έχει εφαρμοστεί με επιτυχία για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας, της αριθμητικής σταθερότητας και της ακρίβειας των υπολογισμών σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο χαμηλής συχνότητας που δημιουργείται από διαφορετικές διαμορφώσεις πηγών πεδίου. Η δομή και η υλοποίηση του στοιχείου προγράμματος επιτρέπει σε μεθόδους πλήρους ελλειπτικού ολοκληρωτικού υπολογισμού, που εκτίθενται από την κλάση FieldCalc, να αντικαθίστανται, να βελτιώνονται ή να επεκτείνονται με πρόσθετες μεθόδους χωρίς αλλαγές στη σχεδίαση του στοιχείου ή των εφαρμογών που αναφέρονται σε αυτό. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] M. P. Zlatev, Theoretical Electrotechnic, Technika, Sofia, 97 [] B. C. Carlson, On computing ellipttic integrals and functions, J. Math and Phys.., 44 (965), pp.36-5 [3] Developing Microsoft. NET Applications for Windows with Visual C#.NET [4] V. Todorova, 3D computer simulation of the static magnetic field systems over the virtual human body, Information Technologies and Control, ISSN 3-6 [5] V.Dimitrova, Maleshkov St. , Μέθοδοι για 3d επιφανειακή υποδιαίρεση στον υπολογισμό και την απεικόνιση της κατανομής στατικού μαγνητικού πεδίου, Electronics and Electrotechnics, 7 [6] V. Todorova, Maleshkov St., Geometric Data Exchange in XML format Using.NET Environment, Computer Science 4, Technical University of Sofia, Bulgaria [7] V. Todorova, Maleshkov St., OpenGL programming περιβάλλον: Problems and Solutions, XVIII-Conference SAER-4, Varna, Bulgaria [8] D.Dimitrov, A.Dimitrov, Computer Simulation of Low Frequency Magnetic Field, p.7-75, Proceedings of 7th EAEEIE Annual Conference on Innovation in Education for Electrical and Information Engineering, June, -3, 6, University of Craiova, Romania. [9] D.Dimitrov, H.Hristov, Modeling the Moving of Charges in Homogenous Magnetic Field, σελ.7-3, Πρακτικά του Πρώτου Διεθνούς Συνεδρίου για τις Επικοινωνίες, την Ηλεκτρομαγνητική και τις Ιατρικές Εφαρμογές (CEMA 6), Οκτωβρίου,9-, Σόφια, Βουλγαρία. [] D.Dimitrov, An Investigation on Propagation and Absorption of Electromagnetic Signals Through Biological Media, σελ.-6, Πρακτικά του Πρώτου Διεθνούς Συνεδρίου για τις Επικοινωνίες, Ηλεκτρομαγνητικά και Ιατρικές Εφαρμογές (CEMA 6), Οκτωβρίου, 9-, Σόφια, Βουλγαρία . 48

46Διερεύνηση όλων των ψηφιακών φίλτρων Maximally Flat Fractional Delay All-pass Kamelia S. Ivanova και Georgi K. Stoyanov Περίληψη Σε αυτή την εργασία αναλύονται οι σχέσεις μεταξύ της τοποθέτησης των πόλων της συνάρτησης μεταφοράς allpass και των τιμών της παραμέτρου κλασματικής καθυστέρησης και εξάγονται νέες εκφράσεις κλειστής μορφής. Αποδεικνύεται ότι οι πόλοι παίρνουν πολύ ασυνήθιστες θέσεις σε σύγκριση με άλλες υλοποιήσεις φίλτρων. Στη συνέχεια, διερευνώνται οι ευαισθησίες των πιο δημοφιλών τμημάτων allpass και εντοπίζονται οι καταλληλότερες δομές για διαφορετικές τιμές χρόνου καθυστέρησης. Χρησιμοποιώντας αυτά τα αποτελέσματα είναι δυνατός ο σχεδιασμός δομών κλασματικής καθυστέρησης υψηλής ακρίβειας σε διαφορετικά εύρη συχνοτήτων και σε περιβάλλον περιορισμένου μήκους λέξεων. Λέξεις-κλειδιά Ψηφιακά φίλτρα IIR, τμήματα allpass, κλασματική καθυστέρηση, μέγιστη επίπεδη προσέγγιση, θέση πόλων, χαμηλή ευαισθησία. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πρόσφατα, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη ψηφιακών φίλτρων κλασματικής καθυστέρησης, τα οποία φάνηκαν να είναι πολύ χρήσιμα σε πολυάριθμα πεδία επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων και ψηφιακών επικοινωνιών (ρύθμιση χρονισμού, εξάλειψη jitter, ψηφιακά μόντεμ και σύνθεση ομιλίας) []. Η θεωρία και οι μέθοδοι σχεδιασμού των φίλτρων κλασματικής καθυστέρησης FIR είναι αρκετά καλά ανεπτυγμένες [][][3] και αρκετά ώριμες ώστε να έχουν βολικές δομές για την εφαρμογή τους. Υπάρχουν, ωστόσο, πολύ λίγες δημοσιεύσεις σχετικά με τα φίλτρα κλασματικής καθυστέρησης IIR, πιθανώς λόγω των προβλημάτων που συνδέονται με τις πραγματοποιήσεις IIR όπως πιθανές αστάθειες, υψηλότερο επίπεδο θορύβων στρογγυλοποίησης και χειρότερη συμπεριφορά σε περιβάλλον περιορισμένου μήκους λέξεων λόγω των υψηλότερων ευαισθήσεών τους. Γενικά, η λύση που προκύπτει πρέπει να ελεγχθεί έτσι ώστε όλοι οι πόλοι του φίλτρου να παραμένουν εντός του κύκλου μονάδας στον τομέα z. Ο σχεδιασμός της κλασματικής καθυστέρησης IIR είναι πολύ πιο περίπλοκος από αυτόν των αντίστοιχων φίλτρων FIR. Σε αυτή την εργασία επιλέγουμε να διερευνήσουμε τα φίλτρα IIR κλασματικής καθυστέρησης που βασίζονται σε allpass επειδή έχουν τις καλύτερες ιδιότητες μεγέθους, επιτρέποντάς μας να επικεντρωθούμε στα χαρακτηριστικά απόκρισης φάσης. Χρησιμοποιούμε τις διαδικασίες προσέγγισης που προτείνονται από τον Thiran [4], οι οποίες φαίνεται να είναι οι πιο κατάλληλες για το σχεδιασμό ψηφιακών δομών κλασματικής καθυστέρησης με μέγιστη επίπεδη καθυστέρηση ομάδας. Όταν σχεδιάζετε αναδρομικά ψηφιακά φίλτρα σε περιβάλλον περιορισμένου μήκους λέξεων, είναι πολύ σημαντικό να αναπτύσσετε ή να επιλέγετε τμήματα allpass με ελαχιστοποιημένες ευαισθησίες για κάθε δεδομένη θέση πόλων συνάρτησης μεταφοράς. Αλλά οι pole-positions είναι η Kamelia S. Ivanova με τη Σχολή Τεχνολογίας Επικοινωνιών και Επικοινωνιών, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, Kliment Ohridski 8, Σόφια, Βουλγαρία, Ο Georgi K. Stoyanov είναι με τη Σχολή Τεχνολογίας Επικοινωνιών και Επικοινωνιών , Technical University, Kliment Ohridski 8, Sofia, Bulgaria, ποικίλλουν σημαντικά για διαφορετικές τιμές της πραγματοποιηθείσας κλασματικής καθυστέρησης, επομένως μια διεξοδική ανάλυση των συνδέσεων μεταξύ της τοποθέτησης των πόλων και των τιμών της παραμέτρου κλασματικής καθυστέρησης έχει γίνει στο αυτό το χαρτί. Επιπλέον, διερευνούμε το εύρος τιμών παραμέτρων κλασματικής καθυστέρησης για τις οποίες τα τμήματα allpass παραμένουν σταθερά, καθώς και το εύρος τιμών για τις οποίες τα τμήματα allpass έχουν μόνο πραγματικούς πόλους. Εξάγουμε αναλυτικές σχέσεις μεταξύ των τιμών των παραμέτρων κλασματικής καθυστέρησης και των πόλων για τα τμήματα allpass δεύτερης, τρίτης και τέταρτης τάξης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρουσιάζονται αναλυτικά και γραφικά. Αυτά τα αποτελέσματα γενικεύουν τη συμπεριφορά των τμημάτων κλασματικής καθυστέρησης allpass, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό δομών κλασματικής καθυστέρησης υψηλής ακρίβειας σε διαφορετικό εύρος συχνοτήτων και σε περιβάλλον περιορισμένου μήκους λέξεων. II. ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΒΑΣΕΜΕΝΩΝ ALLPASS ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΗΣ ΤΑΞΗΣ Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την κατά προσέγγιση προδιαγραφές απόκρισης δεδομένης φάσης, καθυστέρησης ομάδας ή καθυστέρησης φάσης [][][3]. Για να λάβουμε μέγιστα επίπεδες αποκρίσεις καθυστέρησης ομάδας, επιλέγουμε τη μέθοδο που προτείνει η Thiran επειδή παρέχει μια λύση κλειστής μορφής για τους συντελεστές συνάρτησης μεταφοράς allpass. Οι συντελεστές ενός φίλτρου allpass με μέγιστη επίπεδη απόκριση καθυστέρησης ομάδας στη μηδενική συχνότητα μπορούν να εκφραστούν ως [4]: ​​N k N D N + n ak = ( ), για k =,, KN. k n= D N + k + n Αυτό το allpass φίλτρο είναι σταθερό όταν D > N και όταν N < D < N όπως παρατηρήθηκε στο []. Δείξαμε στο [7] ότι οι τοποθετήσεις των πόλων της συνάρτησης μεταφοράς σχετίζονται στενά με τις τιμές των παραμέτρων κλασματικής καθυστέρησης. Οι τιμές των παραμέτρων της κλασματικής καθυστέρησης πρέπει να επιλέγονται πολύ προσεκτικά για να διατηρούνται οι πόλοι της συνάρτησης μεταφοράς στη θέση εντός του κύκλου της μονάδας. Α. Διερεύνηση μιας συνάρτησης μεταφοράς δεύτερης τάξης Είναι εύκολο να ληφθούν οι δύο πραγματικοί πόλους της συνάρτησης μεταφοράς κλασματικής καθυστέρησης δεύτερης τάξης allpass όταν η τιμή της παραμέτρου κλασματικής καθυστέρησης είναι < D < και το ζεύγος της απόφασης σύνθετης συζυγούς όταν D >. Το ζεύγος μιγαδικών-συζευγμένων πόλων μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση της τιμής της παραμέτρου κλασματικής καθυστέρησης ως εξής () 483

47Investigation of the maximum planar fractional delay of comprehensive digital filters D 3( D ) p, = ± j () D + ( D + ) ( D + ) Possible pole positions as a function of increasing the value of the fractional delay parameter from two to infinity See in the figure. It could be observed that the poles of the transfer function occupy a fixed position in the root loci. The most common requirement for real applications is a time delay with small fractional values ​​of the delay parameters (N.5 < D < N +. 5, where N is the order of the transfer function), which means that the poles should be placed close to z = (more precisely in the range between and .both on the real and on the imaginary axis in the z plane). where A = D 3 + 6D + D 6, (5) D 3 8D + D 8 B = D + and (6) C = ( 4D + 4D BD + 45B) A ( D + ).(7) Fig. Possible pole positions of the third-order all-pass transfer function Fig. Possible pole positions of the second-order all-pass transfer function B. Investigation of the third-order transfer function A similar investigation can be carried out for the third-order all-pass transfer function. A third-order fractional-delay allpass filter is stable for values ​​of the fractional-delay parameter D>. In most cases, there is one true and one pair of conjugated poles. We identify two different situations. In the first, for < D < 3, the real pole is negative, and the complex conjugate poles have positive real parts in the lower radical loci. This position is specific to N. 5 < D < N values ​​of the fractional delay parameters. In the second case, for D > 3, the real pole and the real part of the complex conjugate pair are positive. Complex coupled poles take values ​​at the upper root loci (Figure ). Here it can be concluded that the position of the poles for small values ​​of the fractional delay parameter is concentrated in the region z = . p,3 3 C ( D 3) A D 3 p = 4 +, (3) 3 A( D + ) ( D + )( D + ) C D + 3 C ( D 3) A D 3 = + + ± 3 A( D + ) ( D + )( D + ) C D +, (4) 3 3 C ( D 3) A j A( D + ) ( D + )( D + ) C C. Investigation of the fourth-order transfer function Investigation of transfer functions of the fourth order leads to similar conclusions, as shown in Fig. 3. The special difference of this function is that the upper loci have a negative real part for small variations of the fractional values ​​of the delay parameter D. Fig. 3 Possible pole positions of the fourth-order allpass transfer function At this point, it is easy to draw a generalized conclusion about the behavior of Nth-order allpass structures: they are stable for D > N, since for D = N there are N solutions at z =. There are always true poles for the range N < D < N, and at least one of them is always negative. There are always pairs of connected conjugate poles for 484

48Kamelia S. Ivanova and Georgi K. Stoyanov case D > N, and increasing N leads to the shift of most loci to the left half of the z-plane. III. SECOND-ORDER ALLPASS SECTIONS WITH FRACTIONAL DELAY From the previous section, it is clear that the poles of the transfer function of fractional delay allpass circuits are close to z= and therefore we need realizations with a higher density of poles in this region to ensure high fractional delay timing accuracy. Our extensive search has shown that there are no such achievements. The most promising candidate is one based on the known conjugate form that has an equal density of poles within the unit circle. Unfortunately, we have not been able to synthesize an allpass segment with an even distribution of poles, so we need to investigate and compare other known allpass segments to identify those with lower sensitivity for each pole position. We showed in [7] that for small values ​​of the fractional delay parameter N.5 < D < N +. 5, the phase delay response remains constant over a wider frequency range and this range narrows as it increases. In fact, realizations with larger D (ie, transfer function poles near z = ) can be used to implement fractional delay filters for very special applications. When we want to achieve a larger non-integer time delay, it is recommended to use a cascade with the required integer number of delay elements and an allpass fractional second-order delay structure. This will provide the widest possible frequency range over which the group delay response will remain stable. The transfer function of the most popular allpass shares is as follows [5]: b b b z + z H ; (8) MH A (z) = b z + bb z b b z + z H; (9) MH B (z) = b z + b z + a a (a + a) z + z H; () KW A ( z) = ( a + a ) z + ( + a a ) z d + d ( d d ) z + z H ; () KW B (z) = (d d) z + (d + d) z a a (a) z + z H GM; () (z) = a (a) z az a + a (a) z + z H AL; (3) ( z) = + a (a) z az b ( a b + ab) z + z H ST A ( z) = ;(4) (a b + ab) z + (b) z c + ( + c + c) z + z H ST. (5) B ( z) = + ( + c + c ) z + ( c ) z After representing the coefficients of these stocks with the coefficients of the Thiran () approximation, we have the results shown in Table -4. Using these formulas, it is possible to design and implement appropriate allpass sections for any delay parameter D. TABLE I. COEFFICIENTS OF THE FRACTIONAL DELAY FILTER MHA AND MHB MHA MHB b b b b ( D​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​in in in in, D) ( D + ) ( D ) ( D ) ( D + ) ( D + ) TABLE II FRACTIONAL DELAY FILTER COEFFICIENTS KWA AND KWB KWA KWB a a d d ( D 3D 4) ( D + 3D 4) ( D ) 6 ( D + )( D + ) ( D + )( D + ) ( D + ) ( D + )( D + ) TABLE III DELAY FILTER COEFFICIENTS AL AND GM AL GM a a a a ( D )( D ) ( D+ )( D+ ) ( D ) ( D+ ) ( D + ) ( D ) ( D ) ( D+ ) ( D+ ) ( D ) ( D+ ) ( D + ) TABLE IV COEFFICIENTS OF PARTIAL DELAY FILTER STA AND STB STA STB a b c c 3 3D D + ( D + ) ( D + ) IV. 6 6D ( D + )( D + ) ( D + )( D + ) SENSITIVITY TESTS Next, we investigate the sensitivities of the phase response of the thus obtained all-pass fractional delay segments for two values ​​of the delay parameter D using the PANDA package [6]. The worst-case sensitivities (with the transfer function coefficients given in the tables) are shown in Fig. 4. Thus, it can be seen that the Mitra and Hirano (MHA and MHB), Gray-Markel (GM) and Ansari-Liu (AL ) structures are most suitable for small values ​​of the delay parameters, because they have the lowest sensitivity of the phase response. For poles near z = 485

49Testing all digital filters with maximum flat fractional delay, low sensitivity STA and STB sections perform much better than all other known sections. Figure.. Sensitivity in the worst case Figure.. Sensitivity in the worst case of STA STB Figure 4. Sensitivity in the worst case MHA Figure 5. Sensitivity in the worst case MHB V. CONCLUSIONS In this work, we investigated the behavior of fractional all-pass delay filters with maximum response group delay. It was found that the poles of the transfer function of these filters are located quite differently compared to those of known allpass sections. It is shown that the sensitivity of the slices strongly depends on the value of the fractional delay parameter D and the most suitable slices for some typical pole positions are highlighted. A similar sensitivity analysis should be performed for other pole positions (different D values) and the most appropriate allpass segments should be selected or synthesized to ensure accurate fractional delay realization in a limited word length environment. Figure 6. KWA sensitivity in the worst case Figure 8. AL sensitivity in the worst case Figure 7. KWB sensitivity in the worst case Figure 9. GM sensitivity in the worst case REFERENCES [] T. Laakso, V. Valimaki , M. Karjalainen and U. Laine , Splitting the unit delay tools for fractional delay design, IEEE Signal Processing Mag., vol. 3, no., p. 3 6, January [] V. Valimaki, Discrete time modeling of acoustic tubes using fractional delay filters, Dr. technical Thesis, Espoo, Finland; University of Helsinki. Tech., Faculty of Electrical Engineering, Laboratory for Acoustics and Sound Signal Processing, pro [3]. B. Valimaki, A new filter implementation strategy for Lagrange interpolation, in Proc. IEEE Int. Comp. Circuits and Systems (ISCAS 95), Seattle, Washington, vol., p , April 9, May 3, 995 [4] J. P. Thiran, A recursive digital filter with maximally flat group delay, IEEE Trans. Circuit theory, vol. 8, no. 6, pp, November 97. [5] G. Stoyanov and A. Nishihara, Design of very low sensitivity digital IIR filters using parallel and cascaded parallel connections of all-pass sections, Bulletin of INCOCSAT, Tokyo Institute of Technology, Vol. ., p., March 995 [6]. N. Sugino and A. Nishihara, Frequency domain simulator of digital networks from structural description, Trans. of the IEC of Japan, Vol. E73, no., p. 84-86, November 99. [7] K. S. Ivanova, V. I. Anzova, G. K. Stoyanov, Low-sensitivity realizations of an all-pass filter with a fractional delay, Proc. TELEKOM 5, Ul. Konstantina and Jelena, Varna, Bulgaria, p, October. 7-9,

50Unification of deterministic and probabilistic methods in pattern recognition Geo Kunev, Georgi Varbanov and Christo Nenov 3 Abstract The main goal of this paper is to find opportunities to achieve unique rules for pattern recognition, regardless of significant differences in initial positions and different methods for achieving the final form of algorithms. We will try to show the most commonly used rules for overall decision-making: a unique state assessment process, a linear or quadratic calculation, a comparison of the results with some limit value. We can apply these results to KDD (data mining) software. Keywords Classification, Bayes, pattern recognition, KDD I. INTRODUCTION With a non-concave feature over the area of ​​class s, we seek a partition function in full quadratic form or in part: or: d g( x) = c + c x + c x x ( x , c) i= i i d d k = j = T T g( x) = X AX + a X + a We are looking for pattern recognition rules of the type for:. Algorithms based on the theory of optimal statistical decision-making. Algorithms based on the dispersion of probabilistic recognition features, 3. Algorithms based on the minimization of the recognition error of the geometric environment. II. OPTIMAL STATISTICAL DECISION MAKING ij and j () () R ( A) = M[ R( A/ x)] = M[ I( xxˆ)] min (4) The average risk of repeatedly identifying M classes is: R = M M X M k = m = The decision rule for M classes (j=,m) is: c km P. f ( y / x ) dy (5) y X, _ if _ c. P( x ) f ( y / x ) max (6) and j The decision rule for two categories is: j f ( yi / x ) P ( c yi X,_ if _ = λ > λ = f ( y / x ) P ( c _ if _ i j k j k γ) γ ) y and X, λ < λ (7) With a normal distribution of features in M ​​categories: T T yi X,_ if _ g j( y) = y y + ( μ ) j j j T μj μ ln + ln ( j) + ln j = j j μ j j P x c (8) = Y T AY + a j T j y + a j max By two orders and conditions: P(x )=P(x), (c - c = c - c ), (9a) In this well-known case [], the pattern recognition task is treated as a common statistical task with predefined optimal criteria. R ( A/ x) = M[ I( xxˆ / x] (3) The most frequently used criterion is the loss function I ( xxˆ ) for calculating the conditional average risk, looking for the best estimate [4]:​​ Geo Kunev is from the Faculty of Computer Science of Sciences, TU Varna, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, Georgi Varbanov is from the Faculty of Computer Sciences, TU Varna, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, Christo Nenov is from the Faculty of Computer Sciences, TU Varna, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, ] 487 Σ =Σ, we have a linear recognition rule: y X,_ if _ y i ( μ μ ) T T ( μ μ ) ( μ μ ) < (9b) Bayesian strategies compare the projection of the recognized observation (vector) in the directions ex.(), with the vector mean values ​​in the same direction: ( a = μ μ ) - by two ranks a = μ - by M ranks.() j j

51Integration of deterministic and probabilistic methods in pattern recognition III. STUDY OF RECOGNITION TABLES With limited prior statistics, we seek recognition rules, based on subarea metrics for different classes. For two classes, we can use the non-zero criterion of Fisher's hypothesis []: S Ω S R F =, : (a) where: S Ω - estimate of dispersion (by groups), S R is estimate of dispersion (in group). As a multivariate analysis, we can use the Mahalanobis distance between groups with mean values ​​μ i and μ j and the common covariance matrix V: V =(μ i -μ j ) T V - (μ i -μ j ) The group variance estimate for M classes are: S = w M = k = M k = P( x) k k k T {( y μ )( y ) / x } P( x) E μ where: P(x k ) each class is the prior probability, Σ k class of the covariance matrix, y, μ k observations and through class vectors. as: An estimate of the group variance for M classes is: S = M B x k k= k k k = (b) () T P( )( μ μ )( μ μ ) (3) An estimate based only on statistics: S ) k k T B = ( μ k m k μ m )( μ, k μ (4) m We look for the best transformation in the form []: S J = S * B * W = Z=a T Y+a (5) k= z Zk ( Z μ )( μ )( Z μ ) T T T A ( μ k μ )( μ k μ ) A A S = = T T ( y μ )( y μ ) A S y Y k M k = M * k m ( μ μ * * * k μ * T ) * T B W A A = (6) where: y, μ k, μ, S B, S W are observations, mean values ​​and scatter matrices in the initial regions, and Z, μ * k, μ *, S * * B, S W - the same after linear transformation Two classes and we have: a T Σ k a = σ k *, i μ k *,=a T μ k + α (7) * k k * j ) j ( μ μ J = (8) σ σ and extreme conditions can be defined: where: * k dj da i dj = dσ * k dσ k. da * dj + dσ * * dj dμ k dj dμ j * * dμ da dμ da dj da k i dj = dσ * k * * dj dμ dj dμ k j * * dμ da dμ da k * k i dσ k. da * j j * j i * j dj + dσ * j dσ j. da = * j = * i dσ j. da * * * * dj ( μ k μ j ) dj ( μ k μ j ) = ; = dσ σ + σ dσ σ + σ * k * j * k * j * k * + + * j (9a) * * dj dj ( μ k μ j ) = = (9b) dμ dμ σ + σ dσ yes dσ yes then: or: * k i k * dμ k = Σ k a; yes * dμ k = ; that dσ j = ; that (μ μ) * * k j * * σ k + σ j a = Σ k and dσ = μ k; yes + Σ Σ j * j * dμ j = ; da k With equal covariance matrix: i + Σ * dμ i = Σ ja; yes = ; ( μ μ ) k j a = μ k μ j j i = μ j () () a = Σ ( μ μ ) () k In the case of a linear transformation from two classes with equal covariance matrix, the decision is known as Fisher's linear discrimination [] ,[ 3]: S B. W i = λ. S w. W i (3) If S w is a non-degenerate matrix: j S B. W i = λ. S w. W and (4) 488

52Geo Kunev, Georgi Varbanov and Christo Nenov By halving the two classes and S B =S B, which is the same as the equation (). In the multidimensional case: After centering: W = S w -.(μ k -μ i ) (5) a k = S Wk -.(μ k -μ ) (6) a k = S Wk -.μ k ( 7 ) IV . GEOMETRIC MEAN IDENTIFICATION ERROR MINIMIZATION This group of methods aims to develop procedures for finding the coefficients of dividing functions. Then it holds: c y = x ; a = ci ϕ( x) c ij or: x ci y ' = ; a' = ϕ( x) c we can have an equation. () in the linear form of division [3]: ij (8) g(x) = a T Y (9) or: g(x) = a T Y + c (3) Assuming a linear class divider: a T (y m - y n ) = (3) vector α T is normal to every vector on the boundary. Therefore, each pair of classes (W i, W j ): After the transformation: a T y m >, if y m W i a T y m <, if y m W i (3) y m = - y m ; y m W j, the decision rule becomes: a T y m <; (y m W i,w j ) (33) The existence of a decision region implies a non-uniform decision, so additional constraints can be used, for example, searching for the minimum weight vector: In this case, the learning task is to find the weight vector ā , corresponding to the best possible equation of the form : Ya=b; Y[n,d]; b[n,]; n>d (35) In the usual case, this system does not have an exact decision, so after defining the error vector: e=ya-b (36) the task can be treated as a classic case of minimization: or: i: n T J ( a ) = Ya b = ( a y b ) (37) i= n T T J ( a) = Y ( Ya b) = ( a y b ) y = (38) i= i i i Y T Ya=Y T b (39) If the matrix Y T Y (d.d. ) is nondegenerate, vector is: a=(y T Y) - Y T b=y # (4) where Y # = (Y T Y) - Y T ; [d x n] is well known in pseudoinverse matrix theory. A pseudo-inversion problem can occur in this process. There are various specific schemes for applying the least squares method, the best being the Ho-Kashap procedure. This procedure moves in steps to the minimum of equation (37), preserving the gradient directions: aj=y T (Ya-b) (4) bj=-(ya-b) (4) It starts with statistics, grouped into two classes as generalized normalized observation matrix in the form: ui xi y = (43) u j x j where: x i and x j are observations W i and W j , classes and vector columns in i include n and threshold values, equal to one. If the weight and constraint vectors are: n ui a ni A = ; b = ; n = n + n (44) n a u j n i according to equation (39): j i i a T y m b>; (y m W i,w j ) (34) 489

53Unification of deterministic and probabilistic methods in pattern recognition u x u ui u x a = a T T i j i T T x j x i j j u = x After inclusion: T i T i u x T j T j n n ni n n j i x xi ui u μ j X = μ i S (4) μ ) i j II class m x x x μ x x x x x x We have the minimum risk: i: S n W i x xi a =-μ T a ( X nin j + ( μi μ j )( μi μ j ) n T μ i ) ( X μi ) = S (46 ) W T a = μi μ j n n a S ) n n (47) i j T W = ( μ i μ j ) a ( μ i μ j ) ( μ i μ (48a) j As a vector direction: n n a ) n i j T ( μ i μ j )( μ i μ (48b) j for each α coincides with the direction of the vector (μ i -μ j ): from where: a n S W a = na. = α( μ μ ) (49) S W i ( μ μ ) i j j ( 5 ) After excluding the irrelevant scalar coefficient nα we have a direction that minimizes the sum of squares in the form: a = S W ( μ μ ) and V. CONCLUSION j (5) Comparison of equation (), (), (5) , (6), (7) gives the conditions in which recognition procedures, based on the optimal linear equation of feature area transformation, and Fisher's linear discrimination have the same mathematical meaning. In both cases, we project the observation vector in the direction S w -.(μ k -μ i ), and compare the result with some threshold value. So, according to equation (8), (9), (), m we can claim about algorithmic equality of recognition procedures. After comparing equations (), (), (6), (5), we can see the relationship between linear parametric and non-parametric, probabilistic and deterministic methods, as well as the equivalence conditions of the corresponding identification procedures. The fact that the least squares procedure and the maximum likelihood procedure approximate Fisher's linear discriminant probability shows that we have reason to talk not about different, but about asymptotic approximation procedures with a common computational scheme. The calculated value (projection) is compared with the threshold value, which defines optimal as decision-making in terms of risk minimization, maximum conventional or posterior probability (Fig. ). ACKNOWLEDGMENTS This paper is the result of a study kindly led by Professor Dr. Asen Nedev at TU Varna. REFERENCES Bayes probability Maximum likelihood x I class x x x μ x x x x x X Image Classes and classification methods [] V. Vapnik, Statistical Learning Theory, J. Wiley, N.Y. 998 [] R.A. Fisher, Contributions to Mathematical Statistics. J. Wiley, N.Y. 994 [3] Fukunaga. K, An Introduction to Statistical Pattern Recognition. Academ press, N.Y., 99 [4] A. Nedev, K. Tenekedjiev, Technical diagnostics and pattern recognition, TU Varna,

54Σύνθετη ανάλυση θορύβου κβαντισμού σήματος εισόδου για ορθογώνιες τομές ψηφιακού φίλτρου IIR δεύτερης τάξης Περίληψη Σε αυτό το έγγραφο προτείνεται μια νέα μέθοδος για την εκτίμηση της σύνθετης διακύμανσης θορύβου εξόδου λόγω κβαντοποίησης σήματος εισόδου. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε πολύ χαμηλής ευαισθησίας ορθογώνια σύνθετα τμήματα φίλτρου IIR δεύτερης τάξης. Χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό καταρράκτη στενής ζώνης υψηλότερης τάξης, οι οποίες προτιμώνται σε πολλές τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές και συνήθως υλοποιούνται με αριθμητική σταθερού σημείου. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι η ευαισθησία της ορθογώνιας μιγαδικής δομής έχει βαθιά επίδραση στο επίπεδο θορύβου εξόδου της. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι εφαρμόσιμη σε οποιαδήποτε δομή φίλτρου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη των σύνθετων επιδράσεων κβαντοποίησης σήματος γενικά. Λέξεις-κλειδιά σύνθετα ορθογώνια ψηφιακά φίλτρα, ευαισθησία, σφάλματα κβαντισμού, ανάλυση θορύβου. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα αποτελέσματα πεπερασμένου μήκους λέξεων (κβαντοποίηση) είναι σημαντικό κλάσμα της ομάδας των παρασιτικών επιδράσεων. Αρχικά, όλα τα φαινόμενα κβαντισμού έχουν ενωθεί σε μια ενιαία ανάλυση σφάλματος, αλλά η πιο χρήσιμη προσέγγιση είναι να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, που απαιτούν διαφορετικές τεχνικές ανάλυσης: σφάλματα κβαντισμού συντελεστών στην αναπαράσταση συντελεστών φίλτρου ως πεπερασμένους αριθμούς σταθερού σημείου. σφάλματα κβαντισμού σήματος λόγω των αριθμητικών πράξεων πεπερασμένης ακρίβειας πρόσθεσης, πολλαπλασιασμού και αποθήκευσης. Οι συντελεστές φίλτρου κβαντίζονται μόνο μία φορά και παραμένουν σταθεροί στην υλοποίηση του φίλτρου. Τα αποτελέσματα κβαντισμού συντελεστών στα χαρακτηριστικά του φίλτρου τα διαταράσσουν από τις ιδανικές τους μορφές. Εάν δεν πληρούν πλέον τις προδιαγραφές, ο σχεδιασμός κβαντοποίησης πρέπει να βελτιστοποιηθεί με την κατανομή περισσότερων δυαδικών ψηφίων ή επιλέγοντας πιο σωστή υλοποίηση φίλτρου. Η δομή του ψηφιακού φίλτρου έχει σημαντική επίδραση στην ευαισθησία του στην κβαντοποίηση του συντελεστή. Η κβαντοποίηση του σήματος, από την άλλη πλευρά, λόγω περικοπής ή στρογγυλοποίησης, συνήθως θεωρείται καλύτερα ως μια τυχαία διαδικασία και μπορεί να μοντελοποιηθεί ως παράγοντας πρόσθετων πηγών λευκού θορύβου στο φίλτρο. Το αποτέλεσμα της κβαντοποίησης του σήματος είναι η προσθήκη ενός σήματος σφάλματος ή θορύβου στην ιδανική έξοδο του ψηφιακού φίλτρου, το οποίο είναι σύνθετο από μία ή περισσότερες από τις ακόλουθες πηγές σφάλματος: το σφάλμα κβαντοποίησης του σήματος εισόδου του φίλτρου. τα σφάλματα που προκύπτουν από τη στρογγυλοποίηση ή την περικοπή προϊόντων πολλαπλασιασμού εντός του φίλτρου· και κβαντοποίηση της εξόδου για παραπομπή bits για είσοδο σε μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό ή άλλο σύστημα. Και πάλι, όσον αφορά την κβαντοποίηση του συντελεστή, η δομή του φίλτρου επηρεάζει σημαντικά τα επίπεδα θορύβου σήματος-κβαντοποίησης. Σε αυτή την εργασία η προσοχή περιορίζεται στην ανάλυση θορύβου λόγω κβαντοποίησης του σήματος εισόδου. Στην περίπτωση πραγματικών ψηφιακών φίλτρων, υπάρχουν διάφορες καλές τεχνικές που αναπτύχθηκαν εδώ και πολύ καιρό [] []. Η Zlatka Nikolova είναι μέλος του Τμήματος Τηλεπικοινωνιών, Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Σόφιας, Βουλγαρία, Zlatka Nikolova 49 Τα τελευταία χρόνια, τα ψηφιακά φίλτρα σύνθετων συντελεστών κερδίζουν δημοτικότητα, αλλά η θεωρία του θορύβου κβαντισμού τους δεν είναι ακόμα καλά ανεπτυγμένη. Μικρός αριθμός δημοσιεύσεων αγγίζει μόλις τα προβλήματα [3] [4]. Μέχρι στιγμής εξετάζονται μόνο συγκεκριμένα προβλήματα και δεν προτείνεται γενική τεχνική για την εκτίμηση του θορύβου κβαντοποίησης. Σε αυτή την εργασία προσφέρεται μια νέα μέθοδος για ανάλυση θορύβου κβαντοποίησης σήματος εισόδου σύνθετης ανάλυσης και εφαρμόζεται σε ένα ορθογώνιο μιγαδικό τμήμα δεύτερης τάξης πολύ χαμηλής ευαισθησίας. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι η ευαισθησία χαμηλού συντελεστή του κυκλώματος συνοδεύει χαμηλή διακύμανση θορύβου εξόδου λόγω της πολύπλοκης κβαντοποίησης του σήματος εισόδου. II. ΑΝΑΛΥΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ ΠΟΣΤΙΣΜΟΥ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΕΙΣΟΔΟΥ Η κβαντοποίηση του σήματος εισόδου είναι ισοδύναμη με ένα σύνολο ομοιόμορφα κατανεμημένων δειγμάτων θορύβου e(n) που προστίθενται στο πραγματικό σήμα εισόδου x(n). Σε περίπτωση αναπαράστασης σταθερού σημείου με στρογγυλοποίηση, η ισχύς του θορύβου κβαντισμού (διακύμανση) της τυχαίας μεταβλητής e(n) είναι: B δ σ e = =, () B είναι το μήκος λέξης σε bit και δ είναι το μέγεθος του βήματος κβαντοποίησης . Όταν το κβαντισμένο σήμα εισόδου x(n) είναι σύνθετο, η προερχόμενη πηγή θορύβου e(n) πρέπει επίσης να είναι σύνθετη. Στη συνέχεια, το σύνθετο σήμα εξόδου y(n) θα αναμειχθεί με το μιγαδικό θόρυβο εξόδου v(n). Το μοντέλο θορύβου της σύνθετης κβαντοποίησης σήματος εισόδου φαίνεται στο Σχήμα. e(n)=e Re (n)+je Im (n) x(n)=x Re (n)+jx Im (n) + Μιγαδικό φίλτρο y (n)=y Re (n)+jy Im (n) v(n)=v Re (n)+jv Im (n) Εικ.: Μοντέλο θορύβου λόγω σύνθετης κβαντοποίησης σημάτων εισόδου Τα αναλυτικά σήματα επεξεργάζονται από μια ειδική κλάση σύνθετα ψηφιακά φίλτρα που ονομάζονται ορθογώνια, τα οποία συναρτήσεις μεταφοράς μπορούν να παρουσιαστούν από τα πραγματικά και τα φανταστικά μέρη τους ως εξής: H ( jz) = H Re ( z) + jh Im ( z). () x Re (n) + e Re (n) e Im (n) x Im (n) + H RR (z) H RI (z) H IR (z) H II (z) y Re (n)+ v Re (n) Σύνθετο φίλτρο Εικ.: Μπλοκ-διάγραμμα της δομής σύνθετου ψηφιακού φίλτρου - αναπαράσταση θορύβου + + y Im (n)+v Im (n)

55Σύνθετη ανάλυση θορύβου κβαντοποίησης σήματος εισόδου για ορθογώνιες τομές ψηφιακού φίλτρου IIR δεύτερης τάξης Πραγματοποιήθηκε από πραγματικά στοιχεία μια σύνθετη ορθογώνια δομή (Εικ. ) έχει δύο εισόδους - πραγματικές και φανταστικές και ένα σχετικό ζεύγος εξόδου, παράγοντας έτσι τέσσερις συναρτήσεις μεταφοράς πραγματικών συντελεστών δύο- by-2 ίσο με το πρόσημο ±: H Re ( z) = H RR ( z) = H II ( z) ; H Im ( z) = H RI ( z) = H IR ( z). (3) Τα πραγματικά x Re (n) και φανταστικά x Im (n) μέρη ενός αναλυτικού σήματος x(n) είναι συνιστώσες inphase και quadrature. Εάν τα επίπεδά τους είναι πολύ μεγαλύτερα από το μέγεθος του βήματος κβαντοποίησης δ, τα προκύπτοντα σφάλματα κβαντισμού e Re (n) και e Re (n) μπορούν να μοντελοποιηθούν ως πρόσθετες πηγές θορύβου. Μπορούν να γίνουν οι ακόλουθες υποθέσεις: Τα σφάλματα κβαντισμού κατανέμονται ομοιόμορφα στο εύρος (-,5δ,5δ). Είναι σταθερές αλληλουχίες λευκού θορύβου (δηλαδή το e(n) και το e(m) για n m δεν συσχετίζονται). Η ακολουθία σφαλμάτων δεν συσχετίζεται με την αρχική ακολουθία σήματος. x Re (n) και x Im (n) είναι ορθογώνια, δηλ. αρκετά διαφορετικά, έτσι ώστε τα σφάλματα κβαντισμού e Re (n) και e Im (n) να είναι ασυσχετισμένα. Κανονικά, το πραγματικό και το φανταστικό μέρος του αναλυτικού σήματος κβαντίζονται με το ίδιο μήκος λέξης. Ως εκ τούτου, οι διακυμάνσεις θορύβου τους θα είναι πανομοιότυπες σ e, Re =σ e,im = σ και υπολογίζονται από την Εξ. (). e Η υπόθεση ότι τα σήματα θορύβου είναι στατιστικά ανεξάρτητα από πηγή σε πηγή οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ισχύς θορύβου κβαντοποίησης του αθροίσματος τους είναι ίση με το άθροισμα των αντίστοιχων δυνάμεων θορύβου κβαντοποίησης. Στην πραγματικότητα, η υπέρθεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και, εκτός από τη δομή από το Σχ. που καθιστά προφανή, τα πραγματικά στοιχεία v Re (n) και φανταστικά v Im (n) της σύνθετης διακύμανσης θορύβου εξόδου v(n) θα συντίθενται αντίστοιχα ως εξής: δίπλα σ =σ σ (4) v, Re v, H Re v, H Im σ =σ + σ. (5) v, Im v, H Re v, H Im σ v,h Re και σ v,h είναι οι αντίστοιχες διακυμάνσεις θορύβου εξόδου Im των πραγματικών H Re ( z) και των φανταστικών H Im () z των ορθογωνικών μερών μιγαδική συνάρτηση μεταφοράς (): σv, H = σe H Re( z) H Re ( z ) z dz, (6) Re πj σ v, H Im = σ e πj H Im ( z) H ( z ) z dz Im . (7) III. ΣΥΝΘΕΤΟ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΟ ΨΗΦΙΑΚΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Προκειμένου να δοκιμαστεί η μέθοδος για σύνθετη διακύμανση θορύβου εξόδου που προτείνεται στην ενότητα II, εκτελείται σε δύο ορθογώνια τμήματα τις δομές που βασίζονται σε DF (Direct Form) - και LS (Χαμηλή Ευαισθησία). Προκύπτουν μετά τον μετασχηματισμό του κυκλώματος (περιστροφή πόλων) στην ορθογώνια μορφή του: z = jz ή z = jz, (8) εφαρμόζεται στα πρωτότυπα πραγματικής δεύτερης τάξης χαμηλής διέλευσης (LP) [5]. Οι ληφθείσες συναρτήσεις μεταφοράς ορθογώνιων μιγαδικών συντελεστών έχουν πραγματικά και φανταστικά μέρη τύπου band-pass (BP) και διπλασιασμένης τάξης. Για την ορθογώνια μιγαδική δομή που βασίζεται σε DF που φαίνεται στο Σχ. 3α είναι ως εξής: 4 DF DF DF + ( g + g ) z + g z H ( z) = H ( z) = H ( ) Re z = g (9 ) RR II + g g z + g z ( ) 4 DF DF DF ( g ) + ( g g ) z HRI ( z) = HIR ( z) = HIm ( z) = gz ; () 4 ​​+ g g z + g z ( ) ενώ για την ορθογώνια τομή που βασίζεται σε LS (Εικ.3β) είναι: LS LS LS H RR ( z ) = H II ( z ) = H Re ( z ) = 4 + ( 4a+ 3b 6) z + (b ) z () =,5a ; 4 + ( a+ b ) ( b ) z + b z [ ] ( ) LS LS LS H RI ( z ) = H IR ( z ) = H Im ( z ) = ( 4 a b ) + ( a+ 3b 4) z () =,5 αζ. 4 + [( a+ b ) ( b )] z + ( b ) z Οι ορθογώνιες σύνθετες δομές φίλτρων είναι με κανονικό αριθμό στοιχείων και διατηρούν ορισμένες ιδιότητες των πραγματικών πρωτοτύπων τους. Προκειμένου να επαληθευτεί αυτή η έκπτωση σε σχέση με την εκτίμηση του θορύβου κβαντοποίησης του σήματος εισόδου, τα ορθογώνια φίλτρα BP μετατρέπονται σε υλοποιήσεις στενής ζώνης που χρησιμοποιούνται συχνότερα στην πράξη. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι η δομή που βασίζεται στο BP LS στενής ζώνης έχει πολλές φορές χαμηλότερο συντελεστή ευαισθησίας από το ορθογώνιο τμήμα που βασίζεται σε DF σε μια πολύ σύντομη ρύθμιση μήκους λέξης [6]. In Re In Im In Re + +,5 g g b a g -g g g (a) z z z - z - z - z - z z - a b Out Re + Out Im Out Re Out Im In Im,5 (b) Εικ.3: Ορθογώνια δομή BP με βάση (α) DF· (β) Τμήματα δεύτερης τάξης LS 49

56Zlatka Nikolova IV. NOISE ANALYSIS OF COMPLEX OUTPUT SIGNAL QUANTIZATION In this section, both real and orthogonal structures are investigated with respect to output errors after quantization of the analytical input signal. Initially, the actual input signal is quantized with a different word length. The output noise variance for the actual LS and DF sections is calculated for the same pole arrangement that provides narrowband LP implementations. The experimental results for the quantization of the input signal from 3 to 8 bits are shown in Figure 4. It is obvious that the variation of the output noise of the low-sensitivity LS section is significantly smaller than that of the DF section when the input signal is limited to only 3 bits. The numerical results in the table show that the difference becomes increasingly insignificant as the length of the word increases. Figure 4: Variation of the output noise as a function of the quantization of the input signal for LS and DF of the real slices Word length of the input signal in bits Table Variation of the output noise of the real slices based on DF (x - ) based on LS (x -3 ) Using the method proposed in section II ., the quantization noise analysis of the complex input signal is performed. Some experimental results for complex variations of the output noise for LS and DF orthogonal slices in the environment of different word lengths of the complex input signal are presented in the table. Word length of the input signal in bits Table Complex variances of the output noise of orthogonal complex segments based on DF (x -3 ) j j j j j j j j j j j j j j j j j j j LS (x -4 ) j j j j j j j j j j j j j For comparison of the obtained output signal, the complex noise variances are graphically shown in Fig. 5. Obviously, LS- based orthogonal complex section of low sensitivity shows more than two times lower output noise in the case of 3-bit quantization of the input signal. Note that smaller quantization of the input signal per word length means lower energy consumption and a faster calculation process. For low-sensitivity circuits, resistance to quantization effects ensures a better signal-to-noise ratio (SNR), i.e. better quality digital signal processing. Figure 5: Output noise variations after quantization of the analytical input signal for orthogonal complex sections based on LS and DF 493

57Σύνθετη ανάλυση θορύβου κβαντοποίησης σήματος εισόδου για ορθογώνια τμήματα ψηφιακού φίλτρου IIR δεύτερης τάξης V. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Τα εξεταζόμενα τμήματα ορθογώνιων φίλτρων δεύτερης τάξης στενής ζώνης ελέγχονται για επεξεργασία αναλυτικού σήματος περιορισμένου μήκους λέξης. Το εκτελούμενο κβαντισμένο σύνθετο σήμα εισόδου είναι ένα μείγμα λευκού θορύβου και αναλυτικού ημιτονοειδούς σήματος. Τα ομοιόμορφα κατανεμημένα δείγματα λευκού θορύβου αντιστοιχούν στο μήκος λέξης του μιγαδικού σήματος εισόδου μετά την κβαντοποίησή του. Στο Σχήμα 6α, το πραγματικό μέρος του μιγαδικού θορύβου που φτάνει στην πραγματική έξοδο φαίνεται για ορθογώνιες σύνθετες δομές που βασίζονται σε DF και LS. Τα φανταστικά σήματα θορύβου εξόδου παρουσιάζονται στο Σχ. 6β. Προφανώς, ο σύνθετος θόρυβος στις εξόδους λόγω της κβαντοποίησης του αναλυτικού μιγαδικού σήματος εισόδου είναι σημαντικά μεγαλύτερος για το τμήμα που βασίζεται σε DF παρά για το LS. (α) (β) Σχήμα 6: Τα σήματα θορύβου εξόδου μετά την κβαντοποίηση εισόδου σε 3 bit για ορθογώνια μιγαδικά τμήματα που βασίζονται σε LS και DF (α) πραγματική έξοδο. (β) φανταστική έξοδο. Το SNR εξόδου για το LS-ορθογώνιο τμήμα είναι περίπου, 5 φορές υψηλότερο σε σύγκριση με το κύκλωμα που βασίζεται σε DF. Για να επιτευχθεί το ίδιο καλό αποτέλεσμα που δείχνει το τμήμα LS για κβαντισμό σήματος εισόδου μήκους λέξης 3 bit, το ορθογώνιο φίλτρο DF πρέπει να χρησιμοποιηθεί σε περιβάλλον τουλάχιστον 6 bit. Είναι σαφές ότι το επίπεδο του θορύβου εξόδου ως αποτέλεσμα της κβαντοποίησης του σήματος εισόδου και η ευαισθησία του συστήματος είναι σε άμεση σχετική ποσότητα. Επομένως, η παραγωγή σύνθετου φίλτρου πολύ χαμηλής ευαισθησίας είναι σημαντική για την επίτευξη καλύτερης αντίστασης στο θόρυβο, βελτιωμένο σύνθετο φιλτράρισμα σήματος και υψηλότερης ποιότητας επεξεργασία ψηφιακού σήματος. VI. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία προτείνεται μια νέα μέθοδος σύνθετης ανάλυσης θορύβου. Εξετάζονται τα προκύπτοντα σήματα σφάλματος στις εξόδους ορθογώνιων μιγαδικών τμημάτων ψηφιακού φίλτρου δεύτερης τάξης μετά την κβαντοποίηση του σήματος εισόδου. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι αρκετά γενική ώστε να εφαρμοστεί για σύνθετα τμήματα φίλτρου υψηλότερης τάξης. Μετά από σχετικές τροποποιήσεις θα μπορούσε να εφαρμοστεί αποτελεσματικά για όλους τους άλλους τύπους εκτίμησης επιδράσεων πεπερασμένων λέξεων σε σύνθετα συστήματα συντελεστών όπως σφάλματα από την κβαντοποίηση των προϊόντων πολλαπλασιασμού μέσα στο φίλτρο. Η προσδοκία ότι οι πραγματικές ιδιότητες του πρωτοτύπου θα κληρονομηθούν από το αντίστοιχο σύνθετο φίλτρο επιβεβαιώθηκε για άλλη μια φορά σε σχέση με την ανάλυση θορύβου μετά την κβαντοποίηση του σήματος εισόδου. Αποδείχθηκε πειραματικά ότι τόσο τα πραγματικά όσο και τα ορθογώνια σύνθετα τμήματα φίλτρου που βασίζονται σε LS εκτός από την ευαισθησία πολύ χαμηλού συντελεστή επιδεικνύουν χαμηλή διακύμανση θορύβου εξόδου λόγω κβαντοποίησης του αναλυτικού σήματος εισόδου. Τα πραγματικά και ορθογώνια σύνθετα κυκλώματα που βασίζονται σε DF διατηρούν την ίδια αμοιβαία απόδοση ακόμα κι αν έχουν πολλές φορές υψηλότερη διακύμανση θορύβου εξόδου από αυτά που βασίζονται σε LS. Η χαμηλή ευαισθησία σύνθετων φίλτρων σε συνθήκες πολύ περιορισμένου μήκους λέξεων για κβαντοποίηση σημάτων και συντελεστών καθιστά διαθέσιμη χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα και παρέχει καλύτερη ποιότητα της διαδικασίας φιλτραρίσματος. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] K. J. Astrom, E. I. Jury and R. G. Agniel, A Numerical Method for the Evaluation of Complex Integrals. IEEE Trans. Αυτόματη. Contr., τομ. AC-5, pp , Aug [] B. W. Bomar, Computationally Efficient Low Roundoff Noise Second-Order Digital Filter Sections With No Overflow Oscillations, IEEE Conference Proceedings Southeastcon '88, pp:66 63, -3, April 988. [3] A Wenzler and E. Luder, New Structures for Complex Multipliers and their Noise Analysis, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS'95), Vol., pp, 8 Απριλίου - 3 Μαΐου 995. [4] P. K. Sim and K. K. Pang, Quantization Phenomena in a Class of Complex Biquad Recursive Digital Filters, IEEE Transaction on Circuit and Systems, τόμ. CAS-33, No.9, pp , Sept [5] E. Watanabe and A. Nishihara, A Synthesis of a Class of Complex Digital Filters Based on Circuitry Transformations. IEICE Trans., τομ. Ε-74, Αρ., σελ., Νο. 99. [6] G. Stoyanov, M. Kawamata, Zl. Valkova, Νέα πρώτης και δεύτερης τάξης σύνθετα τμήματα ψηφιακών φίλτρων πολύ χαμηλής ευαισθησίας, διέλευσης ζώνης/bandstop, Proc. IEEE 997 Region th Annual Conf. "TENCON 97", Μπρίσμπεϊν, Αυστραλία, τομ., σσ.6-64, Δεκ. -4,

58Προσομοίωση αλγορίθμων ανίχνευσης επικάλυψης ομιλίας Snejana Pleshkova-Bekiarska και Damyan Damyanov Περίληψη Το ενδιαφέρον αυτής της εργασίας είναι οι διαφορετικές μέθοδοι ανίχνευσης επικάλυψης ομιλίας. Η επικάλυψη ομιλίας είναι η ταυτόχρονη εμφάνιση ομιλίας από περισσότερους από έναν ομιλητές. Έχει μερικές πολύ κακές επιπτώσεις στη λειτουργία των συστημάτων αναγνώρισης ομιλίας. Η ανίχνευση επικάλυψης ομιλίας είναι ένας από τους κύριους τομείς στην ευρετηρίαση ομιλίας και ομιλητών. Στην ευρετηρίαση ηχείων, το σήμα ομιλίας χωρίζεται σε τμήματα όπου κάθε τμήμα εκφωνείται από έναν μόνο ομιλητή. Επομένως, μέρη της ομιλίας που περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερους ομιλητές ταυτόχρονα θα πρέπει να προσδιορίζονται πριν από οποιεσδήποτε επόμενες διαδικασίες. Η ανίχνευση επικάλυψης ηχείων είναι επίσης χρήσιμη σε ορισμένες άλλες εφαρμογές επεξεργασίας ομιλίας, συμπεριλαμβανομένης της αναγνώρισης ομιλίας και ηχείων. Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζεται η μέθοδος για την ανίχνευση επικάλυψης ομιλίας Φασματική Αυτόματη Συσχέτιση Αναλογίας Κορυφής Κοιλάδας (SAPVR). Στο τέλος αυτής της εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την εργασία των μεθόδων. Είναι ο ρυθμός ακρίβειας και ο ρυθμός ανίχνευσης. Ο μέσος χρόνος επεξεργασίας για το δευτερόλεπτο της ομιλίας λαμβάνεται επίσης υπόψη. Λέξεις-κλειδιά Φασματική αυτόματη συσχέτιση Λόγος κορυφής-κοιλάδας, Κ πλησιέστερος γείτονας, ανίχνευση επικάλυψης ομιλίας. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αυτόματη συσχέτιση είναι μια τυπική μέθοδος αξιολόγησης του πόσο συσχετισμένο είναι ένα σήμα με ένα αντίγραφο του εαυτού του, που καθυστερεί σε συγκεκριμένο διάστημα d. Εάν έχουμε τη σειρά x(n) η αυτόματη συσχέτιση αυτού του σήματος είναι χρησιμοποιήσιμη ή όχι []. Ένα τμήμα ομιλίας είναι "χρησιμοποιήσιμο" εάν περιέχει αρκετές πληροφορίες για την αναγνώριση του ομιλητή-στόχου. Το φάσμα ισχύος της ομιλίας μπορεί να προβλεφθεί λόγω της αρμονικής δομής του. Εάν δίνονται ορισμένα σήματα εισόδου, όπως στο σχ. 3 και σκεφτείτε ένα πλαίσιο ομιλίας που εκφωνείται. Το φάσμα συχνοτήτων X(k) ενός τέτοιου πλαισίου θα περιέχει αρμονικά σχετικούς παλμούς. Αυτή η λειτουργία θα έχει πάντα ως αποτέλεσμα παλμούς μειούμενου ύψους με αυξανόμενη καθυστέρηση. Εάν το αρχικό φάσμα μεγέθους X(k) περιείχε αρμονικές σε ακέραια πολλαπλάσια της ψηφιακής συχνότητας «p», τότε η κύρια συνεισφορά στην πρώτη κορυφή της φασματικής αυτοσυσχέτισης, μετά την υστέρηση μηδέν, οφείλεται στο γινόμενο γειτονικών αρμονικών, που συμβαίνει στο lag 'p'. Αυτό φαίνεται στα σχήματα 4, 5 και 6. Δηλαδή, το μέγεθος της πρώτης φασματικής κορυφής μετά την υστέρηση μηδέν για ένα φωνητικό πλαίσιο μπορεί να προσεγγιστεί ως R( p) = X ( p)x ( p) + X ( p) X (3 p) +... (3) Άλλοι όροι θα περιέχουν λιγότερη ενέργεια και δεν θα συμβάλλουν σημαντικά σε αυτήν την κορυφή. Σημειώστε ότι αυτή η παράμετρος περιέχει όλες τις πληροφορίες σχετικά με σημαντικές αρμονικές. Η επόμενη κορυφή εμφανίζεται στην υστέρηση 'p' και το πλάτος της μπορεί να προσεγγιστεί ως R( p) = X( p)x(3p) + X( p)x(4 p) +... (4) r = i [ x i [ x ( i ) m x ] * [ x ( i d ) m x ] () ( i ) m ] x * i [ x ( i d ) m ] όπου m x είναι ο μέσος όρος της σειράς x(i). Εάν η αυτοσυσχέτιση υπολογίζεται για καθυστερήσεις d=,,,,n-, τότε μπορούμε να γράψουμε τον τύπο της αυτοσυσχέτισης με μήκος διπλάσιο από το μήκος του σήματος: r ( d ) = i [ x i [ x ( i ) m ( i ) m x ] x ] * [ x ( i d ) m * i [ x ( i d ) m Η μέθοδος φασματικής αυτόματης συσχέτισης αναλογίας κορυφής προς τιμή (SAPVR) χρησιμοποιεί συνάρτηση φασματικής αυτόματης συσχέτισης για να προσδιορίσει εάν μια ομιλία πλαίσιο Η Snejana Pleshkova-Bekiarka είναι με τη Σχολή Τηλεπικοινωνιών, Τεχνικό Πανεπιστήμιο - Σόφια, 8 Kliment Ohridski St.Darvenitsa, 756, Sofia, Bulgaria, Ο Damyan Damyanov είναι με τη Σχολή Τηλεπικοινωνιών, Sofi echnical University -8 Kliment Ohridski St. Darvenitsa,756, Sofia, Bulgaria, x x] x] () 495 Με την εγγενή ιδιότητα της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης, αυτή η κορυφή έχει μικρότερο πλάτος από το R(p). Εάν το τμήμα της ομιλίας δεν εκφράζεται, η φασματική αυτοσυσχέτιση δεν θα περιέχει εξέχουσες κορυφές εκτός από αυτή που βρίσκεται σε καθυστέρηση. [].Η συμπεριφορά της φασματικής αυτοσυσχέτισης υπό συνθήκη συν-καναλιού διέφερε, ανάλογα με το αν.) εκφωνήθηκαν τόσο ο στόχος όσο και η παρεμβαλλόμενη ομιλία,.) είτε το ένα από αυτά ήταν χωρίς φωνή είτε 3.) και τα δύο ήταν μη φωνητικά. Όταν και τα δύο πλαίσια ομιλίας δεν εκφωνήθηκαν, η φασματική αυτοσυσχέτιση δεν περιείχε παλμούς που να σχετίζονται αρμονικά μεταξύ τους. Εάν εκφωνήθηκε τουλάχιστον ένα από τα πλαίσια ομιλίας, η φασματική αυτοσυσχέτιση περιείχε αρμονικά σχετικούς παλμούς όπως αναμενόταν. Εάν εκφωνούνταν και τα δύο πλαίσια ομιλίας, η φασματική αυτοσυσχέτιση περιείχε είτε δύο διακριτές σειρές παλμών που σχετίζονταν αρμονικά εάν οι τόνοι των ηχείων ήταν διαφορετικοί κατά περίπου 5%, διαφορετικά υπήρχε μία σειρά ευρειών παλμών Ένα σημαντικό πράγμα είναι ότι η αναλογία των Το πρώτο τοπικό μέγιστο μετά το ένα με καθυστέρηση, στα τοπικά ελάχιστα μεταξύ αυτού του μέγιστου και του επόμενου τοπικού ελάχιστου, είναι σημαντικά χαμηλότερο από αυτό της θήκης ενός ηχείου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχουν σημαντικές τιμές αυτοσυσχέτισης για καθυστερήσεις που δεν σχετίζονται αρμονικά, λόγω συνθηκών συνδιαύλου. Αυτό παρακινεί κάποιον να ορίσει μια αναλογία φασματικής αυτοσυσχέτισης, η οποία αντανακλά την έκταση της αλλοίωσης μιας ομιλίας στόχου από την παρεμβαλλόμενη ομιλία.

59Simulation of Speech Overlap Detection Algorithms The spectral autocorrelation ratio (SAR) parameter is defined as: ( p )/ R( )} SAR = log{ R q (5) where R(p) is the local maximum of the spectral autocorrelation except one in the delay (appears se at delay p), and R(q) is the next local maximum that is not harmonically related to the first peak or local minimum between p and p. The SAR must be interpreted correctly. If the speech of one of the speakers is quiet or voiceless, the peak that is not harmonically related to the peak due to the state of the speaker's voice will be significantly lower in amplitude. This is shown in Figures 7, 8 and 9. This means that the SAR will be very high, from which we will conclude that the speech frame is usable. However, if the target and interfering speech were of comparable size, the SAR ratio would approach zero, identifying that particular frame as unusable[3]. What if there is a spurious peak of comparable magnitude along with harmonically related pulses? The SAR will again be low, but the natural interpretation is that the pure tone is mixed with the speech signal, and if it is of comparable size, that speech frame is definitely useless. II. SIMULATION OF ALGORITHMS The algorithm for estimating peak ratio and spectral autocorrelation values ​​is as follows: Open and load a wave file into memory. Create a vector containing the values ​​of the speech signal. 3. Get the length of the vector. 4. Create a Hamming window with N points. 5. Estimate how many windows the vector spans. 6. For each part of the signal window Estimate the Fourier spectrum Estimate the spectral autocorrelation [ x( i) mx ]*[ x( i d ) mx ] (6) and r( d ) = [ x( i) m ] * [ x ( i d ) m ] and x(n), n =,,,,N- x d=,,,,n- Calculate the first peak and the second delay after the first delay. Estimate SAPVR - SAR = log{ R( p )/ R( q )} (7) Set a threshold of 6.3 db If SAPVR is above the threshold, the frame can be used. If not, the frame cannot be used, ie. there are overlapping speeches and the speaker cannot be recognized. and x III. QUALITATIVE EVALUATION AND COMPARISON To evaluate the quality of the porpoise:. Get the amount of data known to all frames (used and not). Use the SAVPR algorithm. 3. With the results of the SAVPR algorithm, evaluate the following formulas DR length = total length FAR = total PRC correctly identified unusable segments length of unusable segments correctly identified usable segments length of usable segments ( FAR ) * () DR - FAR detection rate - PRC False alarm rate - Approach recognition accuracies TABLE I DETECTION RATE Male speech Female speech Overlay of speech (9) TABLE II SAVPR ALGORITHM ACCURACY Male speech.6667 Female speech. 749 Speech masking The images below show simple signals for visualization purposes. The authors conducted an extensive search with many male and female voices. Input signal display (8) Male speech Image Male input signal Speech 496

60Snejana Pleshkova-Bekiarska and Damyan Damyanov Input signal profile Female speech Spectral autocorrelation function Female speech Fig. Input signal Female speech Fig.5. Autocorrelation spectral speech of a woman Input signal profile Autocorrelation spectral mode Speech layer Speech layer Fig.3. Speech layer of the input signal Fig.6. Speech layer of spectral autocorrelation Mode of spectral autocorrelation Human speech Output signal and usable frames Human speech Fig.4. Spectral autocorrelation of a man's speech Fig.7. Output Signal and Usable Frames One Man's Speech 497

61Algorithms for speech overlap detection Output signal simulation and usable frames Female speech Fig.8. Output signal and useful frames women speak Output signal and useful frames IV. CONCLUSION In their future work, the authors want to simulate other methods, build appropriate algorithms for them and show a comparison of the results of different methods. REFERENCES [] Katsuri Rangan Krishnamachari, Robert E. Yantoro, Damiel S. Benincasa, Stanlet J. Wenndt Spectral autocorrelation ratio as a measure of speech segment usability under co-channel compositions, IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing Systems and Communic. [] Robert E. Yantoro, "A Study of Peak-Valley Ratio Spectral Autocorrelation (SAVRP) as a Method for Usable Speech Determination and Co-Channel Speech Detection." AFOSR Rim Labs Summer Exhibition. [3] M.H. Moattar, M.M. Homayounpour Speech Overlap Detection Using Features and Its Applications in Information and Communication Technologies for Speech Indexing, 6th ICTTA '6. nd Speech layer Fig.9. Output Signal Speech Layer and Usable Frames 498

62FPGA Υλοποίηση του D-DCT/IDCT για τη συμπίεση κινηματογραφικών ταινιών Περίληψη Rastislav J.R. Struharik και Ivan Mezei Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται αρχιτεκτονικές για το DCT/IDCT (Discrete Cosine Transform, Inverse Discrete Cosine Transform). Αυτές οι αρχιτεκτονικές αναπτύχθηκαν για την υλοποίηση FPGA. Αρχικά, παρουσιάζονται αλγόριθμοι για τον αποτελεσματικό υπολογισμό DCT/IDCT. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους αλγόριθμους αναπτύσσονται μικροαρχιτεκτονικές για την αποτελεσματική εφαρμογή FPGA. Αυτές οι μικροαρχιτεκτονικές κωδικοποιούνται στη συνέχεια στο VHDL και συντίθενται χρησιμοποιώντας το σύστημα ανάπτυξης Xilinx Foundation ISE. Τέλος, η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας και οι πόροι που απαιτούνται για την υλοποίηση αυτών των πυρήνων αναφέρονται για τις διάφορες οικογένειες IC FPGA του Xilinx. Λέξεις-κλειδιά Συμπίεση εικόνας, JPEG, DCT/IDCT, VHDL, FPGA. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συμπίεση είναι η διαδικασία μείωσης του μεγέθους των δεδομένων που αποστέλλονται, με αποτέλεσμα τη μείωση του εύρους ζώνης που απαιτείται για την ψηφιακή αναπαράσταση ενός σήματος. Πολλές φθηνές εφαρμογές βίντεο και ήχου καθίστανται δυνατές με τη συμπίεση των σημάτων. Η τεχνολογία συμπίεσης μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένο χρόνο μετάδοσης λόγω λιγότερων δεδομένων που μεταδίδονται. Μειώνει επίσης τις απαιτήσεις αποθήκευσης επειδή υπάρχουν λιγότερα δεδομένα. Ωστόσο, η ποιότητα του σήματος, η πολυπλοκότητα υλοποίησης και η εισαγωγή καθυστέρησης επικοινωνίας είναι πιθανοί αρνητικοί παράγοντες που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή της τεχνολογίας συμπίεσης. Τα σήματα βίντεο και ήχου μπορούν να συμπιεστούν λόγω της χωρικής, φασματικής και χρονικής συσχέτισης που είναι εγγενής σε αυτά τα σήματα. Η χωρική συσχέτιση είναι η συσχέτιση μεταξύ γειτονικών δειγμάτων σε ένα πλαίσιο εικόνας. Το Temporal αναφέρεται στη συσχέτιση μεταξύ δειγμάτων σε διαφορετικά πλαίσια αλλά στην ίδια θέση pixel. Η φασματική συσχέτιση είναι η συσχέτιση μεταξύ δειγμάτων της ίδιας πηγής από πολλαπλούς αισθητήρες. Υπάρχουν δύο κατηγορίες συμπίεσης: με απώλειες και χωρίς απώλειες. Σε εφαρμογές ιατρικών συστημάτων, η απώλεια εικόνας μπορεί να μεταφραστεί σε δαπανηρά ιατρικά λάθη. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται μέθοδοι συμπίεσης χωρίς απώλειες. Ευτυχώς, η πλειονότητα των εφαρμογών επεξεργασίας βίντεο και εικόνας δεν απαιτεί τα ανακατασκευασμένα δεδομένα να είναι πανομοιότυπα με τα αρχικά δεδομένα. Σε τέτοιες εφαρμογές, τα συστήματα συμπίεσης με απώλειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη υψηλότερων αναλογιών συμπίεσης. Ο Discrete Cosine Transform (DCT) [] είναι ένας απωλεστικός Rastislav J.R. Struharik με τη Σχολή Τεχνικών Επιστημών, Trg Dositeja Obradovića 6, Novi Sad, Serbia, rasti@eunet.yu Ο Ivan Mezei είναι με τη Σχολή Τεχνικών Επιστημών, Trg Dositeća Obradovi 6, Novi Sad, Σερβία, σχήμα συμπίεσης όπου ένα μπλοκ εικόνας N x N μετατρέπεται από τον χωρικό τομέα στον τομέα DCT. Το DCT αποσυνθέτει το σήμα σε στοιχεία χωρικής συχνότητας που ονομάζονται συντελεστές DCT. Οι συντελεστές DCT χαμηλότερης συχνότητας εμφανίζονται προς την επάνω αριστερή γωνία της μήτρας DCT και οι συντελεστές υψηλότερης συχνότητας βρίσκονται στην κάτω δεξιά γωνία της μήτρας DCT. Επειδή το ανθρώπινο οπτικό σύστημα είναι λιγότερο ευαίσθητο σε σφάλματα σε συντελεστές υψηλών συχνοτήτων από ό,τι σε συντελεστές χαμηλότερης συχνότητας, τα στοιχεία υψηλότερης συχνότητας μπορούν να κβαντιστούν πιο λεπτά ή ακόμα και να απορριφθούν εντελώς. Αυτή η λειτουργία οδηγεί σε σημαντικές βελτιώσεις του λόγου συμπίεσης, μειώνοντας έτσι τον όγκο των δεδομένων που πρέπει να μεταδοθούν ή να αποθηκευτούν, με μέτρια μόνο υποβάθμιση της αρχικής ποιότητας εικόνας. Για τα περισσότερα πρότυπα συμπίεσης εικόνας, N = 8. Ένα μέγεθος μπλοκ 8 x 8 δεν έχει σημαντικές απαιτήσεις μνήμης και επιπλέον, ένα μέγεθος μπλοκ μεγαλύτερο από 8 x 8 δεν προσφέρει σημαντικά καλύτερη συμπίεση. Το DCT είναι ανεξάρτητο από την εικόνα και μπορεί να εκτελεστεί με γρήγορους αλγόριθμους. Παραδείγματα προτύπων που χρησιμοποιούν DCT: Dolby AC & AC3: -D DCT (και -D Discrete Sine Transform) JPEG (στατικές εικόνες): -D DCT χωρικής συμπίεσης MPEG & MPEG: -D DCT συν αντιστάθμιση κίνησης H.6 και H.63 : συμπίεση κινούμενης εικόνας για τηλεδιάσκεψη και τηλεφωνία βίντεο Μεγάλο μέρος της επεξεργασίας που απαιτείται για την κωδικοποίηση ή την αποκωδικοποίηση βίντεο με χρήση αυτών των προτύπων καταλαμβάνεται από τον υπολογισμό του DCT ή/και του IDCT. Ένα αποτελεσματικό μπλοκ υλικού αφιερωμένο σε αυτές τις λειτουργίες θα βελτιώσει σημαντικά την απόδοση του ψηφιακού συστήματος βίντεο. II. ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ D DCT/IDCT A. Αλγόριθμος για τον υπολογισμό του αποδοτικού DCT Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του DCT βασίζεται στην ακόλουθη εξίσωση: M N c( p) c( q) π ( m+ ) p π ( n+ ) q Ypq = Xmn cos cos () 4 m= n= M N όπου: 499

63FPGA implementation of D-DCT/IDCT for film compression c( p) = for p =, c( p) = otherwise cq ( ) = for q=, cq ( ) = otherwise An efficient implementation of this equation is possible because the D DCT can split into two DCT []. D DCT rows are calculated first, then D DCT columns are calculated. The DCT coefficients for rows and columns can be calculated by separating the equation () into a row part and a column part. As mentioned earlier, for most image compression standards, M=N=8. Using vector processing, the output Y of an 8 x 8 DCT for input X is given by the following equation. Y () t = C X C (3) C are the cosine coefficients and C t are the transmission coefficients. This equation can also be written as Y=C Z, where Z = X C t. The coefficients for the matrix C and C t can be calculated using the following equations. ( i+ ) jπ Cij = Kcos, K = for j =, K = M N N else t ( j+ ) iπ Cij = Kcos, K = fori =, K = N M M else (4) and store the coefficients in ROM. But after a closer look at the factors from the C t table, there is a way to arrive at half the number of multipliers. When the equation Z = X C t is written in scalar form, we get the following equations. Z k =37(x k +x k+x k +x k3 +x k4 +x k5 +x k6 +x k7 ) Z k=338(x k -x k7 )+746(x k-x k6 )+85(xk -x k5 )+6393(x k3-x k4) Z k =374(x k +x k7)+54(x k+x k6)-54(x k +x k5)-374(x k3 +x k4) Z k3 = 746(x k-x k7)-6393(x k-x k6)-338(x k-x k5)-85(xk3-x k4) (7) Z k4 =37(x k +x k7)-37(x k+x k6) -37(x k +x k5)+37(x k3 +x k4) Z k5 =85(x k -x k7)-338(x k-x k6)+6393(xk -x k5)+746(xk3-x k4) Z k6 =54(x k +x k7)-374(x k+x k6)+374(x k +x k5)-54(x k3 +x k4) Z k7 =6393(xk -x k7)-85 (x k-x k6 )+746(x k -x k5)-338(xk3-x k4 ) k=,,..., 7 We see that for example the input values ​​x k and x k7 are always multiplied by the same factor, only the sign can be changed. This can be effectively explored to reduce the number of multipliers as shown in the figure below. The values ​​of the scaled and rounded coefficients are shown in the following equation C = t C = D The structure of the DCT kernel using this decomposition is shown in the following figure. Picture. An efficient DCT implementation Let us explain how to compute the matrix Z. Each element in the first row of the input matrix X is multiplied by each element in the first column of the matrix C t and summed to obtain the first value Z of the intermediate matrix Z. To obtain Z, each element of the zeroth row in X is multiplied by each element of the first column of C t and added, and so on. The calculation can be performed using eight multipliers (5) Fig. Effective Y DCT Implementation Using a switching signal, the adder/subtractor units can be configured to function as an adder or subtractor depending on the current need. All 64 values ​​for the Z matrix can be calculated in 64 clocks. These values ​​are stored in the RAM shown between the two DCT blocks in the figure. Using these stored values ​​as input, a second DCT is performed resulting in a Y matrix. The structure of this second DCT block is similar to the structure shown in the figure. The Y matrix contains the values ​​for the D DCT transformation of the matrix input X. B. Algorithm for computing the efficient D IDCT Let us now consider the problem of computing the D IDCT. Using the D DCT matrix Y, the original input matrix X can be calculated as follows [3]. 5

64Rastislav J.R. Struharik and Ivan Mezei t X = C Y C (7) Matrices C and C t are identical to those from D DCT. We can see that the only difference between Eq. (3) and (7) are the order in which the matrices C and C t are applied. Although this seems to be only a small difference, it turns out to be important, because now we cannot investigate the symmetries of the coefficients as in the DCT case. Once again Eq. (7) can be split into two simpler equations, X=C t Z, and Z = Y C. Due to the different order of matrix multiplication, we cannot find a similar symmetry between the coefficients during D IDCT operations. This means that each D IDCT block will now use eight multipliers. The structure of the D IDCT block is shown in Figure 3. Figure 3 The structure of the D IDCT unit The basic structure and operation of the D IDCT core is identical to that of the D DCT core shown in Figure C. Algorithm for Quantization/Dequantization Operations As mentioned earlier, to improve the compression ratio it is common practice to perform quantization of DCT elements. Quantization is the process of selectively discarding visual information without significant loss of visual output. Quantization reduces the number of bits needed to store an integer value by reducing the precision of the integer. Each DCT element is divided by a special quantization factor and rounded to the nearest whole number. The larger the quantization factor (ie, factor weighting), the smaller the resulting response and the associated bits required to express the DCT component. In the reverse process, the fractional bits are "rounded off" and restored as zeros, representing a loss of precision relative to the original number. There are several different recommended procedures for performing quantization. We have chosen the procedure used in the MPEG compression standard [4]. Since we used a -bit representation of the DCT components, the DC value is not quantized. For AC components, the following formula is used to determine the value of the quantization factor. QDCT ij 3 DCT ij Qmatrixij Qscale = (8) The Qmatrix value is a matrix of quantization coefficients with the following values ​​depending on whether we quantize the luminance or color elements. Qmatrix Qmatrix luma chroma = (9) = The value of the Qscale parameter allows simple changes to the quantization factors used during quantization. Dequantization is performed using the inverse expression in Eq. (8). III. ARCHITECTURE OF THE ADVANCED D DCT/IDCT CORE Having reviewed efficient algorithms for D DCT/IDCT computations, we can now present the basic architecture for the two extended cores, along with their interfaces. Figure 4 shows the interfaces for the DCT and D IDCT cores. Figure 4 Interface of D DCT and D IDCT cores As can be seen in Figure 4, the interface of both cores is the same. The q_tab_i[5:] input signal is used to set the required 5's

65FPGA Implementation of D-DCT/IDCT for film compression value of Qscale parameter in quantization and dequantization functions. The input signals, cb_en_i, cr_en_i and y_en_i are used to specify the type of the current 8x8 block. Both cores assume that the image is represented in the YCbCr format. The mb_trig_i signal is a global sync signal used to mark the start of the next 8x8 block. The input signal data_i[7:] (data_i[:] in case of D IDCT core) contains pixel values ​​(values ​​of DCT element in case of D IDCT core). The meaning of each output signal is identical to the input signal of the same name. Figure 5 shows the basic architecture for DCT/IDCT cores. COMPOSITION TABLE AND RESULTS (OPTIMIZATION OBJECTIVE: SIZE) FPGA D DCT Core Family Core Size (# slices) Speed ​​SpartanIIE MHz SpartanIII MHz Virtex MHz VirtexPro MHz D IDCT Core Size Core (# MHZHz) COMPOSITION RESULTS (OPTIMIZATION OBJECTIVE: SPEED) Figure 5 Interface DCT (top) and D IDCT (bottom) cores There are three channel stages in each core. This allows efficient computation of DCT or IDCT values ​​requiring only 64 clocks per 8x8 block. This is the highest speed at which both cores can work, but if necessary they can work at a lower speed. Figure 6 illustrates typical waveforms for characteristic signals. FPGA Core Family Core Size D DCT Core (# Slices) Speed ​​SpartanIIE MHz SpartanIII MHz Virtex MHz VirtexPro MHz D IDCT Core Core Size Core (# Slices) Speed ​​MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz The significantly smaller FP core family and SpartexI sizes are due to the fact that these families have dedicated multipliers that can be used to implement all the multiplications needed in DCT/IDCT calculations. In contrast, the SpartanIIE and Virtex families do not have dedicated on-chip multipliers, so each multiplier must be implemented using general-purpose logic resources, resulting in larger core sizes. V. CONCLUSION Figure 6 Typical waveforms of the interface signal for DCT/IDCT cores The previous figure illustrates the waveforms of the interface signal in the case of a duration of 56 clocks of an 8x8 block. IV. SYNTHESIS RESULTS Both cores were coded in VHDL and synthesized using Xilinx Foundation ISE 6.i software. The table below shows the results obtained in terms of core size (number of segments required to implement the core) and maximum operating frequency for several Xilinx FPGA families. In this paper, the hardware implementation of the DCT/IDCT kernel is investigated. Efficient algorithms for calculating DCT/IDCT values ​​are proposed. These algorithms are implemented in hardware using FPGA technology. Using Xilinx Foundation ISE, software synthesis results are reported for several available FPGA families. LITERATURE [] M. Popović, Digitala obrada Signala, Beograd, Nauka, 997. [] Xilinx Application Note XAPP6, Video Compression Using DCT [3] Xilinx Application Note XAPP6, Video Decompression Using IDCT [4] Xilinx Application Note XAPP5

66Αλγόριθμος για αυτόματη αναγνώριση δακτυλικών αποτυπωμάτων που βασίζεται σε λεπτομέρεια Edin H. Mulalić, Stevica S. Cvetković and Saša V. Nikolić 3 Περίληψη - Αυτή η εργασία περιγράφει έναν πλήρη αλγόριθμο αναγνώρισης δακτυλικών αποτυπωμάτων που χρησιμοποιεί μικροσκοπίες για την αναπαράσταση και την αντιστοίχιση των δακτυλικών αποτυπωμάτων. Ο παρουσιαζόμενος αλγόριθμος αποτελείται από τρία βασικά βήματα: ) Βελτίωση εικόνας, ) Εξαγωγή λεπτομέρειας και 3) Αντιστοίχιση λεπτομέρειας. Η κύρια περιγραφή κάθε βήματος ολοκληρώνεται με σύντομη περιγραφή του αναπτυγμένου λογισμικού με παραδείγματα δοκιμής. Λέξεις-κλειδιά Αναγνώριση δακτυλικών αποτυπωμάτων, Επεξεργασία εικόνας. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεταξύ όλων των βιομετρικών χαρακτηριστικών, τα δακτυλικά αποτυπώματα είναι ένα από τα παλαιότερα, τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα και ιδιαίτερα αξιόπιστα. Η πιο ολοκληρωμένη εξήγηση όλων των πτυχών της αναγνώρισης δακτυλικών αποτυπωμάτων βρίσκεται στο []. Οι περισσότερες από τις μεθόδους αυτόματης αναγνώρισης δακτυλικών αποτυπωμάτων που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία έχουν παρόμοια συνολική δομή με τον αλγόριθμό μας. Στην αρχή, εφαρμόζεται βελτίωση εικόνας προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα της εικόνας δακτυλικού αποτυπώματος εισόδου. Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος εξάγει τοπικά χαρακτηριστικά των μικροσκοπικών δακτυλικών αποτυπωμάτων. Τέλος, η αντιστοίχιση λεπτομέρειας πραγματοποιείται συγκρίνοντας το δακτυλικό αποτύπωμα εισαγωγής λεπτομέρειας με ένα σύνολο από ένα ή περισσότερα δακτυλικά αποτυπώματα προτύπων που είναι αποθηκευμένα στη βάση δεδομένων. Το υπόλοιπο της εργασίας θα δώσει την κύρια περιγραφή κάθε βήματος του αλγορίθμου. II. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ Η απόδοση των αλγορίθμων εξαγωγής μικροσκοπικών σημείων βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ποιότητα των εικόνων δακτυλικών αποτυπωμάτων εισόδου. Λόγω δερματικών παθήσεων, θορύβου αισθητήρα και εσφαλμένης πίεσης στα δάχτυλα, ένα σημαντικό ποσοστό των εικόνων δακτυλικών αποτυπωμάτων (περίπου %) είναι κακής ποιότητας. Γενικά, υπάρχουν δύο τύποι υποβάθμισης που μπορούν να παρατηρηθούν στις εικόνες δακτυλικών αποτυπωμάτων: Οι ράχες δεν είναι αυστηρά συνεχείς, δηλαδή οι ράχες έχουν μικρά σπασίματα (κενά), Λόγω της παρουσίας θορύβου που συνδέει τις κορυφογραμμές, οι παράλληλες ράχες δεν είναι καλά διαχωρισμένες. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική για τη βελτίωση της εικόνας δακτυλικών αποτυπωμάτων βασίζεται σε φίλτρα με βάση τα συμφραζόμενα. Στο συμβατικό φιλτράρισμα εικόνας, χρησιμοποιείται μόνο ένας πυρήνας φίλτρου για συνέλιξη σε όλη την εικόνα. Στο φιλτράρισμα με βάση τα συμφραζόμενα, τα χαρακτηριστικά του φίλτρου αλλάζουν ανάλογα με το τοπικό πλαίσιο, όπου το πλαίσιο ορίζεται συχνά από την τοπική κορυφογραμμή Ο Edin H. Mulalić είναι φοιτητής στη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Νις, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Niš, Σερβία, Ο Stevica S. Cvetkovic είναι διδάκτορας στη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Niš, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Niš, Serbia, 3 Ο Saša V. Nikolić είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών University of Niš, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Niš, Serbia, 53 προσανατολισμός και τοπική συχνότητα κορυφογραμμής. Το κατάλληλο φίλτρο συμφραζομένων θα πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Θα πρέπει να παρέχει χαμηλή διέλευση (μέση τιμή) κατά μήκος της κατεύθυνσης της κορυφογραμμής με στόχο τη σύνδεση μικρών κενών και την πλήρωση ακαθαρσιών λόγω πόρων ή θορύβου. Θα πρέπει να έχει ένα band pass (διαφοροποιητικό) αποτέλεσμα στην κατεύθυνση ορθογώνια προς τις κορυφογραμμές, προκειμένου να αυξηθεί η διάκριση μεταξύ κορυφογραμμών και κοιλάδων και άνω χωριστών παράλληλων συνδεδεμένων κορυφογραμμών. Μία από τις πρώτες χρήσεις συμφραζομένων φίλτρων για τη βελτίωση της εικόνας των δακτυλικών αποτυπωμάτων έγινε από τους O'Gorman [] και Mehtre [3]. Έκτοτε, πολυάριθμες μέθοδοι φιλτραρίσματος έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία, τόσο στο χώρο όσο και στον τομέα συχνότητας. Hong et al. [4] πρότεινε μια αποτελεσματική μέθοδο βασισμένη στα φίλτρα Gabor και αναφέρθηκε ότι επιτυγχάνει καλή απόδοση. Προκειμένου να βελτιωθούν οι επιδόσεις της προηγούμενης μεθόδου, οι Yang et al. [5] τροποποιημένη μέθοδος που περιγράφεται στο [4]. Αν και ανέφεραν καλύτερη ακρίβεια, η υπολογιστική πολυπλοκότητα του αλγορίθμου τους είναι πολύ υψηλή. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται σε αυτό το έγγραφο είναι κατ' αρχήν παρόμοια με αυτή που περιγράφεται στο [4]. Η μέθοδος υποθέτει ότι οι παράλληλες κορυφογραμμές και κοιλάδες εμφανίζουν κάποια ιδανικά ημιτονοειδή επίπεδα κύματα που σχετίζονται με κάποιο θόρυβο. Με άλλα λόγια, το σήμα -D ορθογώνιο προς τον τοπικό προσανατολισμό είναι περίπου ένα ψηφιακό ημιτονοειδές κύμα. Μετά την περιέλιξη της εικόνας με το αντίστοιχο φίλτρο Gabor που είναι συντονισμένο σε έναν συγκεκριμένο τοπικό προσανατολισμό και συχνότητα κορυφογραμμής, η εικόνα θα μπορούσε να βελτιωθεί αποτελεσματικά. Ένα άρτιο συμμετρικό δισδιάστατο φίλτρο Gabor έχει την ακόλουθη μορφή στο χωρικό πεδίο: x (, ) exp θ y G θ θ, f, δ, δ x y = + cos(πfx ), x y θ σ x σ y xθ yθ = x cos(9 θ ) + sin(9 θ ) = x sin θ + y cosθ, = x sin(9 θ ) + cos(9 θ ) = x cosθ + y sin θ όπου [ x θ, y θ ] είναι οι συντεταγμένες του [ x, y] μετά από δεξιόστροφη περιστροφή των καρτεσιανών αξόνων κατά γωνία ( 9 θ ). Οι παράμετροι της προηγούμενης εξίσωσης είναι: α) θ είναι ο τοπικός προσανατολισμός των κορυφογραμμών. Είναι μια γωνία της κορυφογραμμής με τον άξονα x που υπολογίζεται εξετάζοντας τις κλίσεις των εντάσεων των εικονοστοιχείων στις κατευθύνσεις x και y εντός του τοπικού μπλοκ ( 6 6 ) της εικόνας. στ β) είναι η τοπική συχνότητα του ημιτονοειδούς επίπεδου κύματος. Αντιστοιχεί στην αμοιβαία τιμή της απόστασης μεταξύ των κορυφών σε εικόνες δακτυλικών αποτυπωμάτων. Αν και ορισμένοι αλγόριθμοι στη βιβλιογραφία ()

67Αλγόριθμος για αυτόματη αναγνώριση δακτυλικών αποτυπωμάτων που βασίζεται σε μικροσκοπικά στοιχεία, υπολογίζει το f για κάθε μπλοκ της εικόνας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εμπειρική τιμή [6]. Επομένως, η συχνότητα ορίζεται σε f =. 8 γ) σ x, σ y είναι οι τυπικές αποκλίσεις του περιβλήματος Gauss κατά μήκος των αξόνων x και y, αντίστοιχα. Με βάση εμπειρικά δεδομένα [4], αυτές οι τιμές ορίστηκαν σε σ x = σ y = 4. Για να εφαρμοστούν φίλτρα Gabor σε μια εικόνα, οι τέσσερις παράμετροι θ, f, σ x, σ y πρέπει να καθοριστούν για κάθε pixel. Οι τιμές των f, σ x, σ y βασίζονται σε εμπειρικά δεδομένα, επομένως μόνο το θ πρέπει να υπολογίζεται για κάθε μπλοκ της εικόνας. Για να γίνει η βελτίωση ταχύτερη, αντί να υπολογιστεί στο διαδίκτυο το καλύτερο φίλτρο συμφραζομένων για κάθε pixel, ένα σύνολο οκτώ φίλτρων (ονομαζόμενη τράπεζα φίλτρων ) για οκτώ διακριτές τιμές π θ k = k, k =,,...,7 είναι ένα δημιουργήθηκαν και αποθηκεύτηκαν priori. Στη συνέχεια, 8 μετά τον υπολογισμό του τοπικού προσανατολισμού που διακρίνεται στην θ πλησιέστερη τιμή του k, κάθε pixel της εικόνας συμπλέκεται με το αντίστοιχο φίλτρο από την προυπολογισμένη τράπεζα φίλτρων Gabor. III. ΕΞΑΓΩΓΗ λεπτοµερειών Οι περισσότεροι από τους προτεινόµενους αλγόριθµους εξαγωγής λεπτοµερειών λειτουργούν σε δυαδικές εικόνες. Οι δυαδικές εικόνες που λαμβάνονται από τη διαδικασία δυαδοποίησης συνήθως υποβάλλονται σε μια φάση αραίωσης του αλγορίθμου που μειώνει το πάχος της γραμμής κορυφογραμμής σε ένα pixel. Ορισμένοι συγγραφείς έχουν προτείνει προσεγγίσεις εξαγωγής μικροσκοπικών στοιχείων που λειτουργούν απευθείας στις εικόνες κλίμακας του γκρι, χωρίς δυαδοποίηση και λέπτυνση, κυρίως για τους ακόλουθους λόγους []: ένας σημαντικός όγκος πληροφοριών μπορεί να χαθεί κατά τη διαδικασία δυαδοποίησης. Η δυαδοποίηση και η αραίωση είναι χρονοβόρες. Η αραίωση μπορεί να εισαγάγει μεγάλο αριθμό ψευδών μικρολεπτομέρειων. Ελλείψει ενός βήματος a priori βελτίωσης, οι περισσότερες από τις τεχνικές δυαδοποίησης δεν παρέχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα όταν εφαρμόζονται σε εικόνες χαμηλής ποιότητας. Αλλά τα περισσότερα από αυτά τα μειονεκτήματα μπορούν να αποφευχθούν με τη χρήση αποδοτικών και αποτελεσματικών αλγορίθμων για τη βελτίωση της εικόνας, τη δυαδοποίηση, τη λέπτυνση, την αναγνώριση και αντιστοίχιση ψευδών μικρολεπτομέρειων. Από την άλλη πλευρά, η δυαδοποίηση και η αραίωση παρέχουν πολυάριθμα πλεονεκτήματα στη φάση αναγνώρισης μικροσκοπικών στοιχείων. Το προφανές κίνητρο για την εφαρμογή της διαδικασίας αραίωσης είναι η απλούστευση της διαδικασίας αναγνώρισης των μικροσκοπικών σημείων και της θέσης των μικροσκοπικών στοιχείων. Η μέθοδος για την εξαγωγή μικροσκοπικών στοιχείων που παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο βασίζεται σε εικόνες που επεξεργάζονται με αλγόριθμους δυαδοποίησης και αραίωσης. Για τη δυαδοποίηση, χρησιμοποιείται ο παγκόσμιος αλγόριθμος κατωφλίου. Μεταξύ πολλών αλγορίθμων αραίωσης που περιγράφονται στο [7], επιλέξαμε να εφαρμόσουμε τον επαναληπτικό αλγόριθμο Nagendraprasad-Wang-Gupta [8]. Η πιο δημοφιλής μέθοδος για την αναγνώριση μικροσκοπικών είναι η προσέγγιση Crossing Number (CN). Το σε μια δυαδική εικόνα ορίζεται από τους Arcelli και Baja το 984. Μαθηματικά, ο αριθμός διασταύρωσης CN(p) ενός εικονοστοιχείου p, μπορεί να υπολογιστεί ως το ήμισυ του αθροίσματος των διαφορών μεταξύ ζευγών γειτονικών εικονοστοιχείων στη γειτονιά 8 του p: 7 CN( p) =.5* val( pi ) val( p( i+ ) mod8 ) i= όπου p είναι κεντρικό εικονοστοιχείο, p, p,..., p7 είναι ταξινομημένο σύνολο pixel που περιγράφει 8-γειτονιά του p και val ( p i ) {,}. Χρησιμοποιώντας το CN(p), κάθε pixel μπορεί να ταξινομηθεί σε μία από τις πέντε κατηγορίες που περιγράφονται στον Πίνακα. CN(p) Τύπος pixel Απομονωμένο σημείο Τέλος κορυφογραμμής Σημείο συνεχιζόμενης κορυφογραμμής 3 Σημείο διακλάδωσης 4 Πίνακας σημείου διέλευσης. Ταξινόμηση των εικονοστοιχείων σύμφωνα με τον αριθμό διέλευσης False Minutiae Rejection Η παρουσία θορύβου σε εικόνες κακής ποιότητας και η ατελής λέπτυνση είναι δύο κύριοι λόγοι που προκαλούν μεγάλο αριθμό σφαλμάτων εξαγωγής - πτώση των πραγματικών μικρολεπτομέρειων και παραγωγή ψευδών λεπτομέρειων. Επομένως, απαιτείται πρόσθετη μετα-επεξεργασία για να φιλτράρετε τις εξαγόμενες μικρολεπτομέρειες και να διατηρήσετε μόνο το σύνολο των πραγματικών λεπτομερειών. Αν και ο κύριος στόχος της διαδικασίας φιλτραρίσματος είναι η αφαίρεση των ψευδών μικρολεπτομέρειων, η διατήρηση των αληθών λεπτομέρειων είναι πιο σημαντική για την αξιόπιστη αντιστοίχιση των μικρολεπτομέρειων. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την επίτευξη αυτού του στόχου και οι περισσότερες από αυτές βασίζονται σε καθορισμένους ευρετικούς κανόνες. Παραδείγματα αυτών των κανόνων είναι: εάν το διάλειμμα στις κορυφογραμμές είναι μικρότερο από την τιμή κατωφλίου και κανένα άλλο εικονοστοιχείο δεν διέρχεται από αυτό, τότε το διάλειμμα συνδέεται. εάν η γωνία μεταξύ του κλάδου και του κορμού είναι μεγαλύτερη από 7º και μικρότερη από º, τότε ο κλάδος αφαιρείται. ένα σημείο λήξης κορυφογραμμής που είναι συνδεδεμένο με ένα σημείο διακλάδωσης και είναι κάτω από μια ορισμένη απόσταση κατωφλίου εξαλείφεται. δύο διακλαδώσεις εξαλείφονται εάν η απόσταση μεταξύ τους είναι μικρότερη από την τιμή κατωφλίου (-5 pixel). Μια αποτελεσματική και αποδοτική μέθοδος που βασίζεται σε καθορισμένους ευρετικούς κανόνες παρουσιάζεται στο [9]. Η ρύθμιση των παραμέτρων, κυρίως ορισμένων ορίων, θα πρέπει να λαμβάνεται δυναμικά. Οι παράμετροι που προσαρμόζονται στην εικόνα συνήθως αποδίδουν καλύτερα από τις σταθερές τιμές. Τα πειραματικά αποτελέσματα που δίνονται σε αυτό το έγγραφο λαμβάνονται χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο για φιλτράρισμα που βασίζεται στην εξέταση της τοπικής γειτονιάς γύρω από πιθανά σημεία μικροσκοπιών, που προτείνεται από τους Tico και Kousmanen []. () 54

68IV. MINUTIAE MATCHING Η αντιστοίχιση δακτυλικών αποτυπωμάτων είναι μια διαδικασία σύγκρισης ενός δακτυλικού αποτυπώματος εισόδου με ένα σύνολο από ένα ή περισσότερα δακτυλικά αποτυπώματα προτύπων. Η τιμή επιστροφής είναι είτε ένας βαθμός ομοιότητας (για παράδειγμα, μια βαθμολογία μεταξύ και ) είτε μια δυαδική απόφαση (αντιστοιχισμένη/μη αντιστοιχισμένη). Υπάρχουν τρεις κύριες οικογένειες τεχνικών αντιστοίχισης δακτυλικών αποτυπωμάτων: αντιστοίχιση βάσει συσχέτισης, αντιστοίχιση με βάση τις λεπτομέρειες και αντιστοίχιση βάσει χαρακτηριστικών κορυφογραμμών []. Δεδομένου ότι είναι ευρέως αποδεκτό ότι το σύνολο μικροσκοπικών στοιχείων είναι το πιο διακριτικό και αξιόπιστο χαρακτηριστικό, στα σύγχρονα συστήματα αυτόματης αναγνώρισης δακτυλικών αποτυπωμάτων, αυτή η προσέγγιση είναι η πιο δημοφιλής. Όμως, αυτοί δεν είναι οι μόνοι λόγοι για τη δημοτικότητα της προσέγγισης που βασίζεται στις μικρολεπτομέρειες. Πριν από τη διαδικασία αντιστοίχισης, οι πληροφορίες χαρακτηριστικών πρέπει να εξαχθούν από όλες τις εικόνες προτύπων. Ο όγκος των εξαγόμενων πληροφοριών από τα πρότυπα πρέπει να είναι χαμηλός λόγω εξοικονόμησης μνήμης. Επίσης, πρέπει να είναι δυνατή η αποτελεσματική διέλευση της δομής που περιγράφει τις εξαγόμενες πληροφορίες προκειμένου να ελεγχθούν οι απαραίτητες ομοιότητες. Αυτές οι πρόσθετες απαιτήσεις ευνοούν επίσης την προσέγγιση που βασίζεται στις λεπτομέρειες. Σε ορισμένες εφαρμογές είναι δυνατή η χρήση υβριδικής προσέγγισης, συνδυάζοντας δύο ή και τις τρεις προσεγγίσεις. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην προσέγγιση που βασίζεται σε μικρολεπτομέρειες. Κάθε λεπτομέρεια μπορεί να περιγραφεί από έναν αριθμό χαρακτηριστικών, συμπεριλαμβανομένης της θέσης της στην εικόνα δακτυλικού αποτυπώματος, του προσανατολισμού, του τύπου (π.χ. τερματισμός κορυφογραμμής ή διχοτόμηση κορυφογραμμής), ένα βάρος που βασίζεται στην ποιότητα της εικόνας δακτυλικού αποτυπώματος στη γειτονιά της λεπτομέρειας και σύντομα. Η τοπική δομή λεπτομέρειας μπορεί να περιγραφεί με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Ένα απλό και πιο προφανές θα ήταν μια τριπλέτα ( x, y, ψ), όπου x και y είναι συντεταγμένες θέσης λεπτομέρειας και Ψ είναι η τοπική κατεύθυνση κορυφογραμμής σε δεδομένο σύστημα συντεταγμένων. Οι Yang και Verbauwhede [] πρότειναν παραγόμενη τοπική δομή καθώς και έναν αλγόριθμο που βασίζεται σε αυτήν και τα πειραματικά αποτελέσματα που δίνονται σε αυτό το έγγραφο βασίζονται στην υλοποίηση αυτού του αλγορίθμου. Ο αλγόριθμος περιγράφεται στην υπόλοιπη ενότητα. σχετική ακτινική γωνία μεταξύ του M και του i πλησιέστερου γείτονά του, το ϑ i (i =,,...N) αντιπροσωπεύει τη σχετική γωνία θέσης του πλησιέστερου γείτονα και το Ψ είναι η τοπική κατεύθυνση κορυφογραμμής της λεπτομέρειας M. Ένα παράδειγμα απεικονίζεται στο Σχ. x, δηλώνει τις συντεταγμένες x και y των μικροσκοπικών M, Αν ( ) M y M ( x i, y i ) δηλώνει τις συντεταγμένες x και y του i πλησιέστερου γείτονα και το diff ( α, β ) υπολογίστε τη διαφορά μεταξύ των γωνιών α και β και μετατρέπει το αποτέλεσμα στην περιοχή [,π ), ενώ οι παράμετροι ( di, ϕ i, ϑi ) (i =,,..,N) μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο: d i = ( x x ϕ = diff ( Ψ i i ) Ψ), + ( y y yi y ϑi = diff (αρκτάνη( x x i M i M M M ) ), Ψ) Ο προτεινόμενος αλγόριθμος αντιστοίχισης βασίζεται στον υπολογισμό του παράγοντα ομοιότητας και του παράγοντα ομοιότητας εικόνας χρησιμοποιώντας διανύσματα τιμών κατωφλίου ( Thd, Thϕ, Thϑ, ThΨ , ThMSF, ThISF ). Έστω M μια λεπτομέρεια από την εικόνα εισόδου (ερώτημα) με την τοπική της δομή LM = {( d, ϕ, ϑ ),( d, ϕ, ϑ ),...,( d N, ϕn, ϑn ), Ψ}, και το M είναι μια λεπτομέρεια από την εικόνα προτύπου (βάσης δεδομένων) που περιγράφεται από την τοπική δομή της LM ' = {( d', ϕ ', ϑ' ),( d', ϕ', ϑ' ),..., ( d' N , ϕ' N, ϑ' N), Ψ'}. Ο παράγοντας ομοιότητας λεπτομέρειας (MSF) αντιπροσωπεύει τον βαθμό ομοιότητας μεταξύ δύο μικροσκοπικών M και M'. Μπορεί να υπολογιστεί παρατηρώντας τις τοπικές δομές τους L M και L M '. Πρώτα απ 'όλα, εάν ' Ψ Ψ > Th, τότε MSF =, τα M και M ' δεν ταιριάζουν με Ψ και μπορεί να ελεγχθεί ένα άλλο ζεύγος λεπτομέρειων. Διαφορετικά, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η ομοιότητα των γειτονιών των μικροσκοπικών M και M'. Εάν ο i ο γείτονας των λεπτοµερειών M και ο j γείτονας των λεπτοµερειών M' ικανοποιούν ένα σύνολο συνθηκών που περιγράφονται από την Εξ. 5:, (4) d i ' d j < Th d ϕ i ϕ ' j < Th ϕ ϑ i ϑ ' j < Th ϑ (5) Εικ.. Παράδειγμα τοπικής δομής μικροσκοπικών Η τοπική δομή L μπορεί να περιγραφεί από την Εξ. 3: M LM = {( d, ϕ, ϑ ),( d, ϕ, ϑ ),...,( d N, ϕn, ϑn ), Ψ} όπου N είναι ο αριθμός των πλησιέστερων γειτόνων των μικροσκοπικών M, d i (i =,,...N) περιγράφει την απόσταση μεταξύ της επιλεγμένης λεπτομέρειας M και του i πλησιέστερου γείτονά της. ''ταιριασμένοι γείτονες''. Οι ΓΧΣ είναι ίσοι με τον συνολικό αριθμό των «ταιριασμένων γειτόνων». Εάν MSF > ThMSF, τότε οι μικρολεπτομέρειες M και M ' αντιπροσωπεύουν "ταιριασμένο ζεύγος λεπτομέρειας". Μετά τη σύγκριση όλων των λεπτομερειών από την εικόνα εισόδου με τις λεπτομέρειες από την εικόνα προτύπου, προκύπτει ο συνολικός αριθμός των ζευγών που ταιριάζουν με τις λεπτομέρειες (NUM MMP). Ο συντελεστής ομοιότητας εικόνας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την Εξ. 6: NUM MMP ISF = max( NUM είσοδος, NUM πρότυπο ) (6) 55

69An algorithm for automatic fingerprint recognition based on details where NUM input and NUM template are the total number of details in the input and template images. Two images are considered to represent the same fingerprint if ISF > Th. ISF V. EXPERIMENTAL RESULTS We used VS.NET (C#) to implement the presented algorithm. All experiments were performed on a Pentium IV machine (3GHz, GB RAM). Instead of using images captured by our own sensors, we used the FVC database DB_ []. We used 4, 5 and 6 and 7 nearest neighbors for the small matching step of the algorithm. The factors FAR (False Acceptance Rate) and FRR (False Rejection Rate) had satisfactory values ​​only when using neighborhoods 5 and 6. These results are consistent with the results shown in []. Image. shows some results of the generated test software. VI. CONCLUSION AND FUTURE WORK The developed software achieved excellent results with images that were of good quality, but had problems in recognizing high quality images. These problems have been identified and some ideas to solve them are: a) using dynamically calculated frequency improves the image enhancement process. Improving this part of the system will allow working with lower quality images b) grouping images by fingerprint type improves the matching process by reducing the number of images that need to be compared with the input image. This will improve the speed of the software. The mentioned improvements will be the focus of our future work. REFERENCES [] D. Maltoni, D. Maio, A. K. Jain, S. Prabhakar, Handbook of fingerprint recognition, New York: Springer-Verlag, 3. [] O'Gorman, L., Nickerson, J.V., An approach to fingerprint filtering of fingerprint design, Pattern Recognition (), 9 38, 989. [3] Mehtre, B.M., Fingerprint image analysis for automatic identification, Machine Vision, Appl. (6), 4 39, 993. [4] L. Hong, Y. Wan, and A. Jain, "Fingerprint Image Enhancement: Algorithm and Performance Evaluation," IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol., No. 8, p., 998. [5] J. Yang, L. Liu, T. Jiang, and Y. Fan. A modified Gabor filter design method for fingerprint image enhancement, Pattern Recognition Letters, 4:85-87, 3. [6] A. Ross, A. K. Jain, and J. Reisman, "A Hybrid Fingerprint Macher," Pattern Recognition, Vol. 36, number 7, p. 3. [7] M. Couprie, A Note on Fifteen D Parallel Thinning Algorithms, Internal Report, Institut Gaspard Monge, 6. [8] M.V. Nagendraprasad, P.S.P. Wang, and A. Gupta Algorithms for Thinning and Rethickening binary digital patterns, Digital Signal Processing 3, 97, 993. [9] H. Lu, X. Jiang, and Wei-Yun Yau, "Effective and Efficient Fingerprint Image Postprocessing", Proc. . ICARCV, Singapore, pp , December [] Tico, M., and Kuosmanen, P. An Algorithm for Fingerprint Image Postprocessing, in Proceedings of the Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, vol., pp , November. [] S. Yang and I. Verbauwhede, "Secure fingerprint matching technology", Proc. ACM Workshop on Biometrics: Methods and Applications, p , November 3 [] FVC - Fingerprint Verification Competition, fig.. Example of a tested fingerprint image (original, image after enhancement, extracted image after details) 56

70Performances of The Exponential Sinusoidal Audio Model Zoran N. Milivojevic, Predrag Rajkovic and Sladjana M. Milivojevic 3 Περίληψη Στο πρώτο μέρος αυτής της εργασίας περιγράφονται οι αλγόριθμοι TLS και Hankel TLS για τον προσδιορισμό των παραμέτρων για ημιτονοειδή και εκθετικό ημιτονοειδές μοντέλο ήχου και ομιλίας . Στο δεύτερο μέρος προσδιορίζονται οι επιδόσεις εκθετικού ημιτονοειδούς μοντέλου και πραγματοποιείται συγκριτική ανάλυση μοντέλου για την περίπτωση επεξεργασίας τμημάτων με τη διακριτή και ελάχιστα διακριτή παροδικότητα. Στην ανάλυση χρησιμοποιούνται πίνακες δεδομένων και διαγράμματα χρόνου και συχνότητας. Λέξεις-κλειδιά Εκθετική ημιτονοειδής μοντελοποίηση, αλγόριθμος TLS. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το ημιτονοειδές μοντέλο (SM) είναι κατάλληλο για την αναπαράσταση της αρμονικής δομής των τμημάτων ομιλίας και ήχου. Ειδικές ευκολίες μπορούν να φανούν στην ανάλυση/σύνθεση ομιλίας [,], στην τροποποίηση ομιλίας [3], στην κωδικοποίηση ομιλίας [4,5] και στην κωδικοποίηση ήχου [6,7]. Το ημιτονοειδές μοντέλο για το σήμα ομιλίας και ήχου s(n) μπορεί να παρουσιαστεί με την ακόλουθη μορφή: s K k k= ( n) a ( n) sin( f ( n) n + φ ( n) ) π. () Στο ημιτονοειδές μοντέλο το σήμα s(n) παρουσιάζεται ως σύνοψη συνιστωσών με χρονική μεταβλητή πλάτος a k, συχνότητα f k και φάση φ k. Αυτές οι παράμετροι είναι συχνά αμετάβλητες ή αργά μεταβλητές κατά το χρόνο της ανάλυσης (χρόνος διάρκειας μιας αναλυόμενης ακολουθίας, δηλ. τμήματος). Ανάλογα με το σήμα, το μήκος του οιονεί στατικού τμήματος ποικίλλει από αρκετά ms έως αρκετές εκατοντάδες ms [8]. Τα σήματα ομιλίας και ήχου περιέχουν συχνά τμήματα με υπερτιθέμενο θόρυβο καθώς και τμήματα με παροδικό ήχο. Σε τέτοιες περιπτώσεις το μοντέλο που περιγράφεται μέσω του () δεν δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στο [9] δείχνει το μοντέλο για την παρουσίαση του ηχητικού σήματος που δημιουργείται με μεγέθυνση του μοντέλου που περιγράφεται με () προσθέτοντας το θόρυβο η(n) και το μεταβατικό τμήμα τ(n): s K k k= (n) a (n) ( π f ( n) n + φ ( n) ) + η( n) + τ ( n) k k k sin. () Στα πρότυπα για την κωδικοποίηση σημάτων ήχου, όπως το MPEG-LI, η χρήση του μοντέλου () δεν προβλέπεται ρητά. Αντ' αυτού χρησιμοποιείται η υποπεριεκτική δομή κωδικοποίησης []. Η υποπεριεκτική κωδικοποίηση είναι αποτελεσματική για την κωδικοποίηση σήματος Zoran N. Milivojevic, Technical College, Aleksandra Medvedeva, Nis, Serbia, Predrag Rajkovic, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva, Nis, Σερβία. 3 Sladjana M. Milivojevic, Τεχνική Σχολή, Svetog Save 65, Cacak, Σερβία, k με υπερτιθέμενο θόρυβο σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Ωστόσο, κατά την κωδικοποίηση σημάτων με μεταβατικά τμήματα, η απόδοση είναι σημαντικά μικρότερη. Γενικά, ο παροδικός ήχος είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί μέσω του ημιτονοειδούς μοντέλου. Πιο ποιοτική μοντελοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με τη διεύρυνση του αριθμού των παραμέτρων του μοντέλου, γεγονός που μειώνει την αποτελεσματικότητα κωδικοποίησης. Για το λόγο αυτό, σε ορισμένα σχήματα κωδικοποίησης, γίνεται πρώτα η ανίχνευση των μεταβατικών τμημάτων και η επιλογή της δομής του κώδικα με μεγεθυμένες αναλύσεις στον τομέα του χρόνου. Ένας τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος είναι η μοντελοποίηση και η κωδικοποίηση ακουστικών σημάτων με χρήση υπέρθεσης ημιτονοειδούς με χρονικά αργές εκθετικές μεταβολές πλατών και οιονεί στάσιμους θορύβους η(n): s K k k= d (n) a (n) e k (n) n ( π f ( n) n + φ ( n) ) + η( n) sin, (3) όπου d k είναι ο συντελεστής απόσβεσης της k-ης συνιστώσας. Το εκθετικό ημιτονοειδές μοντέλο (ESM) περιγράφεται στο []. Η αποτελεσματικότητά του στη μοντελοποίηση μεταβατικών τμημάτων παρουσιάζεται στο [,3]. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων του μοντέλου (πλάτος a k, συχνότητα f k, φάση φ k και συντελεστής απόσβεσης d k ) είναι αριθμητικά πολύπλοκος και απαιτεί πολύ χρόνο υπολογισμού. Στην παρούσα εργασία περιγράφονται αλγόριθμοι για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του εκθετικού ημιτονοειδούς μοντέλου και προσδιορίζονται οι επιδόσεις τους. Η οργάνωση αυτού του εγγράφου έχει ως εξής. Στην Ενότητα II περιγράφεται ο αλγόριθμος TLS-ESM. Στην Ενότητα III περιγράφεται ο αλγόριθμος Hankel TLS για τον σχηματισμό παραμέτρων μοντέλου. Στην Ενότητα IV παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της συγκριτικής ανάλυσης της εφαρμογής των μοντέλων SM και ESM σε παροδικές και μη παροδικές ακολουθίες. II. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ TLS-ESM Ο αλγόριθμος TLS (Total Least Squares) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του εκθετικού ημιτονοειδούς μοντέλου [4]. Για το τμήμα εισόδου s(n), n=,...,n, με τον αλγόριθμο TLS προσδιορίζονται παράμετροι του μοντέλου τάξης L ( b () l, l =,..., L ) υπό την προϋπόθεση ελαχιστοποίηση: όπου: N n= ( s( n) s( n) ) = ( Δs( n) ) k N n= k ˆ, (4) ( n) b( l) ( s( n l) + Δs( n l ) ), n = ( L + ),..., N sˆ L = l=. (5) 57

71Οι επιδόσεις του εκθετικού ημιτονικού μοντέλου ήχου Η εξίσωση (5) μπορεί να γραφτεί με τη μορφή: K d ( ) ( ) ( n) n n = a n e k sin( f ( n) n + φ ( n) ) sˆ k k= π, ( 6) όπου ο συντελεστής απόσβεσης d k μπορεί να είναι θετικός, αρνητικός ή μηδενικός. Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (3) και (6) μπορεί να φανεί ότι είναι δυνατό να εφαρμοστεί ο αλγόριθμος TLS για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του μοντέλου ESM, δηλαδή για την αυτόματη αποσύνθεση μιας ακουστικής ακολουθίας σε έναν ορισμένο αριθμό αποσβεσμένων ημιτονοειδών [5]. III. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ HANKEL TLS Λόγω της μεγάλης υπολογιστικής του απόδοσης, ο αλγόριθμος Hankel TLS (HTLS) χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλημάτων TLS. Ο αλγόριθμος HTLS έχει βρει την εντατική του εφαρμογή στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Στον αλγόριθμο [5] HTLS περιγράφεται ότι για τις παραμέτρους εισόδου: α) ακολουθία s(n), n=,...,n; και β) σειρά μοντέλου K e ; παράγει παραμέτρους των εκτιμώμενων ημιτονοειδών (πλάτος â k, συχνότητα fˆ k, φάση k k ψˆ k, συντελεστές απόσβεσης dˆ k ). Ο αλγόριθμος αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα: Βήμα : Εκτός στοιχείων ακολουθίας s(n) Σχηματίζεται μήτρα Hankel H με διαστάσεις mxn. Βήμα: Προσδιορίζεται SVD (αποσύνθεση μοναδικής τιμής) της μήτρας Η: H H = USV. (7) Βήμα 3: Κατασκευάζονται συντομευμένοι πίνακες της κατάταξης Ke: H H = UK S e K V e Ke ˆ, (8) όπου το U Ke περιέχει τις πρώτες K e στήλες του πίνακα U, το V Ke περιέχει τις πρώτες K e στήλες του ο πίνακας V, ενώ S Ke είναι ο υπομήτρας (K e x K e ) του πίνακα S. Βήμα 4: Το TLS υπολογίζεται για το προκαθορισμένο σύστημα εξισώσεων: όπου η πρώτη σειρά, UK U E, (9) e K e U K e είναι που λαμβάνεται από τον πίνακα U Ke μετά την εξάλειψη του U K λαμβάνεται από τον πίνακα U Ke μετά την εξάλειψη της τελευταίας σειράς. Οι τιμές K e του E χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των πόλων σήματος: zˆ k = e ( jπˆ f dˆ ) k k, k =,..., Ke. () Βήμα 5: Η εξίσωση του μοντέλου σχηματίζεται στη βάση των πόλων σήματος: όπου K e s ( n n ) = c k z ˆ k k= ˆ, () ck aˆ k jψ e k e ˆ =. () Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι πόλοι είναι συζευγμένοι μιγαδικοί, το μοντέλο που περιγράφεται με () μπορεί να παρουσιαστεί σε μειωμένη μορφή: όπου K ( + ˆ φ ) d ( ) ( ) ( n n = aˆ n e k ) sin fˆ ( n ) sˆ k k= ˆ π, (3) ˆ φ k = ψˆ k + π, k =,...,K. (4) Το μοντέλο που περιγράφεται με το (3) είναι ισοδύναμο με το μοντέλο ESM που περιγράφεται με το (3). Λεπτομερής περιγραφή του αλγορίθμου HTLS μπορεί να βρεθεί στο [8, 6]. IV. ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ESM Οι επιδόσεις του μοντέλου ESM με υλοποιημένο αλγόριθμο HTLS θα καθοριστούν μέσω του λόγου σήματος-θορύβου (SNR) που ορίζεται στο (8): k (n) SNR = log n=. (5) N ( s( n) sˆ ( n) ) n= Το έτσι οριζόμενο SNR αντιπροσωπεύει ένα μέτρο ακρίβειας του μοντελοποιημένου σήματος σε σχέση με το αρχικό σήμα. Πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω αναλύσεις στο αρχειοθετημένο σήμα ομιλίας του οποίου η συχνότητα δειγματοληψίας είναι F S =,5 khz, μέσω ενός μαθηματικού πακέτου MatLab. Οι συγκριτικές αναλύσεις θα πραγματοποιηθούν με ανάλυση σε τομείς χρόνου και συχνότητας σε: α) το αρχικό σήμα ομιλίας (s), β) το σήμα ομιλίας που μοντελοποιείται μέσω ημιτονοειδούς μοντέλου (s SM ) και γ) το σήμα ομιλίας που μοντελοποιείται με μέσα ενός εκθετικού ημιτονοειδούς μοντέλου (s ESM ). Τα ακόλουθα παραδείγματα σχετίζονται με δύο τύπους ακολουθιών: α) με όχι τόσο εξαιρετική παροδικότητα (ακολουθίες σήματος όπου εκφράζεται περιοδικότητα) και β) με εξαιρετική παροδικότητα. IV.A. Ακολουθίες με όχι τόσο εξαιρετική παροδικότητα. Παραδείγματα ακολουθιών ομιλίας και σημάτων ήχου με όχι τόσο εξαιρετική παροδικότητα παρουσιάζονται στο Σχ. όπου φαίνεται το αρχικό σήμα s και τα μοντελοποιημένα σήματα s SM και s SM για Ke=3. Στο Σχ. φαίνονται τα ίδια σήματα για Ke=8. Σε αυτές τις ακολουθίες φαίνεται η περιοδικότητα του σήματος (προφορά φωνηέντων, μουσικό σήμα κ.λπ.). IV.A. Ακολουθίες με εξαιρετική παροδικότητα Ακολουθίες σήματος ομιλίας με εξαιρετική επίδραση παροδικότητας μοντελοποιούνται για ορισμένες τιμές τάξης μοντέλου K e (K e =4,8,6,3,64,8). Οι χρονικές μορφές σημάτων παρουσιάζονται στο N s k 58

72Zoran N. Milivojević, Predrag Rajković and Slađana M. Milivojević, etc. 3 (K e =3) and fig. 5 (K e =8). The signal spectra were determined by FFT and are shown in fig. 4 (Ke=3) and fig. 6 (Ke=8). Sl. Speech signal sequence for the word "five" with a not so remarkable transient: a) original signal, b) reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) SM reconstructed signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=.5 khz,k e = 3). Figure 4. Spectrum of the transition part of the speech signal for the word "five": a) original signal, b) reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) reconstructed SM signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=.5 khz,k e =3) fig. Speech signal sequence for the word "five" with a not so big transition: a) s original signal, b) s reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) s reconstructed SM signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=.5 khz ,k e =8). Figure 5. Transient part of the speech signal for the word "five": a) original signal, b) reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) reconstructed SM signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=.5 khz,k e =8 ). Figure 3. Transient part of the speech signal for the word "five": a) original signal, b) reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) reconstructed SM signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=.5 khz,k e =3 ) Figure 6. Spectrum of the transition part of the speech signal for the word "five": a) s original signal, b) s reconstructed ESM signal based on the estimated parameters of the ESM model and c) s SM reconstructed signal based on the estimated parameters of the SM model (Fs=. 5 kHz, k e =8). 59

73Οι επιδόσεις του εκθετικού ημιτονικού μοντέλου ήχου Στον πίνακα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του SNR στο ημιτονοειδές και εκθετικό μοντέλο για την παροδική και ασθενώς παρούσα παροδικότητα. ΠΙΝΑΚΑΣ I ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ SNR ΓΙΑ Α) ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΟ ΚΑΙ Β) ΟΧΙ ΤΟΣΟ ΕΞΑΙΡΕΤΙΚΟ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ SINUOUS AND EXPOENTIAL SINUOUS S, ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ TransientSMR ORDERNSM NR ESM Μέσες τιμές Με βάση τα διαγράμματα χρόνου και συχνότητας, καθώς και με βάση τα πινακοποιημένα δεδομένα για το SNR, θα πρέπει να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το μοντέλο ESM είναι ανώτερο σε σχέση με το μοντέλο SM. Το ιδιαίτερο πλεονέκτημά του είναι όσον αφορά τη μοντελοποίηση σημάτων σε μεταβατικές ακολουθίες. Στην παροδική ακολουθία η σχέση των μέσων τιμών είναι 3,886/.3=43,99, ενώ στην ακολουθία με όχι και τόσο εκκρεμή παροδικότητα η σχέση είναι.54. V. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Στην παρούσα εργασία περιγράφεται το εκθετικό ημιτονοειδές μοντέλο ήχου με τον εφαρμοσμένο αλγόριθμο HTLS. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της δοκιμής εφαρμογής του ημιτονοειδούς και εκθετικού μοντέλου στη μοντελοποίηση του σήματος ομιλίας. Πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση για διάφορες παραμέτρους λειτουργίας του μοντέλου. Ως μέτρο της επιτυχίας, δηλαδή της ακρίβειας της μοντελοποίησης, χρησιμοποιήθηκε το SNR. Η ανάλυση των ληφθέντων αποτελεσμάτων δείχνει τη μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα του ESM σε σχέση με το SM σε όλες τις τιμές της σειράς του μοντέλου. Επιπλέον, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν μεγάλη απόδοση σε μεταβατικά τμήματα, δηλαδή, στο συγκεκριμένο παράδειγμα, χρόνους σε σχέση με το μοντέλο SM. Τα αποτελέσματα μαρτυρούν ότι η εφαρμογή του μοντέλου ESM για τη συμπίεση του σήματος ομιλίας και ήχου δικαιολογείται στην αρχειοθέτηση και τη μετάβαση μέσω επικοινωνίας. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Ε.Β. George, M.J.T. Smit, Ανάλυση/σύνθεση ομιλίας και τροποποίηση με χρήση ημιτονοειδούς μοντέλου ανάλυσης-σύνθεσης/επικάλυψης-προσθήκης, IEEE Trans. Ηχητική διαδικασία ομιλίας. 5 (5) (Σεπτέμβριος 997) [] R.J. McAulay, T.F. Quatieri, Ανάλυση-σύνθεση ομιλίας με βάση ημιτονοειδή αναπαράσταση, IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing 34 (4) (Αύγουστος 986) [3] Quatieri, R.J. McAulay, Μετασχηματισμοί ομιλίας βασισμένοι σε ημιτονοειδή αναπαράσταση, IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing 34 (6) (Αύγουστος 986) [4] R.J. McAulay, T.F. Quatieri, Speech Coding and Synthesis, Elsevier, Amsterdam, 995, σελ. 73. [5] L.B. Almeida, F.M. Silva, Variable-frequencysy nthesis: an βελτιωμένο αρμονικό σχήμα κωδικοποίησης, στο: Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, San Diego, CA, 984, pp [6] J. Jensen, R. Heusdens, A σύγκριση του διαφορικά σχήματα για χαμηλής συχνότητας ημιτονοειδή κωδικοποίηση ήχου, στο: Proceedings of the IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics, New Paltz, NY, 3 Οκτωβρίου, σελ [7] H. Purnhagen, B. Edler, C. Ferekidis , Κωδικοποιητής ήχου ανάλυσης/σύνθεσης βάσει αντικειμένων για πολύ χαμηλούς ρυθμούς bit, στο: Proceedings of the 4th AES Convention, Amsterdam, The Netherlands, May998, Convention paper [8] K. Hermus, W. Verhelst, P. Lemmerling,P. Wambacq, S. Huffel, Perceptual audio modeling with exponentially damped sinusoids, Signal Processing 85 (5) [9] S.N. Levine, Αναπαραστάσεις ήχου για συμπίεση δεδομένων και επεξεργασία συμπιεσμένου τομέα, Ph.D. Thesis, Stanford University, December 998. [] T. Painter, A. Spanias, Perceptual coding of digital audio, Proceedings of the IEEE, vol. 88(4), April, pp [] K. Hermus, W. Verhelst, P. Wambacq, P. Lemmerling, Μοντελοποίηση υποζώνης βάσει συνολικών ελαχίστων τετραγώνων για κλιμακούμενες αναπαραστάσεις ομιλίας με αποσβεσμένα ημιτονοειδή, στο: Πρακτικά του Διεθνούς Συνεδρίου για τον Προφορικό Γλώσσα Processing, Beijing, China, October, σελ. [] J. Jensen, S.H. Jensen, E. Hansen, Harmonic exponential modeling of transitional speech segments, in: Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Istanbul, Turkey, June, pp [3] P. Lemmerling, I. Dologlou, S. Van Huffel, Speech compression based on exact modeling and structured total minimum norm optimization, στο: Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Seattle, WA, May998, pp [4] S. Van Huffel, J. Vandewalle, The Πρόβλημα ολικών ελάχιστων τετραγώνων: Υπολογιστικές πτυχές και ανάλυση, Σύνορα στα Εφαρμοσμένα Μαθηματικά, τόμ. 9, SIAM, Philadelphia, PA, 99. [5] K. Hermus, W. Verhelst, P. Wambacq, Perceptual audio modeling based on Total Least Squares algorithms, AES TH Convention, Munich, Germany, May -3,. [6] S. Van Huffel, H. Chen, C. Decanniere, P. Van Hecke, Algorithm for time-domain NMR data fitting based on total minimum τετράγωνα, J. Magn. Reson. A (994)

74Μη ομοιόμορφα κατώφλια για την αφαίρεση του εξαρτώμενου από το σήμα θορύβου στον τομέα κυματιδίων Mitko Kostov, Cvetko Mitrovski και Momcilo Bogdanov Περίληψη Αυτή η εργασία παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που προτείνουμε για την αποθορυβοποίηση σήματος. Τα θορυβώδη σήματα επεξεργάζονται σε μια διακριτή περιοχή μετασχηματισμού κυματιδίων με ένα μη ομοιόμορφο όριο προσαρμοσμένο στο επίπεδο θορύβου. Λέξεις-κλειδιά Denoising, θόρυβος που εξαρτάται από το σήμα, κατώφλι, φιλτράρισμα τομέα κυματιδίων. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την αφαίρεση θορύβου, αλλά πολύ λίγες από αυτές επικεντρώνονται στην αφαίρεση ποικίλου θορύβου που εξαρτάται από την τοπική ένταση του σήματος. Αυτό το είδος θορύβου που εξαρτάται από το σήμα απαντάται συνήθως σε εικόνες πυρηνικής ιατρικής (NM). Μέχρι τώρα, οι προσφερόμενες μέθοδοι βασίζονταν στο συμβατικό φιλτράρισμα στον τομέα του χρόνου και της συχνότητας και πρόσφατα σε μετασχηματισμούς κυματιδίων. Η έρευνα μέχρι σήμερα στο φιλτράρισμα τομέα κυματισμού έχει επικεντρωθεί στην εξάλειψη του Gaussian θορύβου χρησιμοποιώντας ένα παγκόσμιο όριο που είναι ανεξάρτητο από το σήμα ή από προϊόντα πολλαπλής κλίμακας των συντελεστών λεπτομέρειας [-3]. Αυτές οι μέθοδοι είναι ακατάλληλες για την απενεργοποίηση σημάτων που περιέχουν θόρυβο που εξαρτάται από το σήμα. Μια απλή λύση θα ήταν να εργαστείτε με την τετραγωνική ρίζα της εικόνας, καθώς αυτή η λειτουργία είναι σταθεροποίηση διακύμανσης []. Μια άλλη μέθοδος για την αφαίρεση θορύβου Poisson στον τομέα κυματιδίων χρησιμοποιεί ένα μη ομοιόμορφο όριο για το φιλτράρισμα των θορυβωδών συντελεστών κυματιδίων [4]. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μας για την αφαίρεση του εξαρτώμενου από το σήμα θορύβου. Βασίζεται στη δημιουργία ανομοιόμορφου ορίου προσαρμοσμένο στο επίπεδο θορύβου στο σήμα. Οργανώνεται ως εξής. Το τυπικό πρόγραμμα συρρίκνωσης κυματιδίων περιγράφεται στην Ενότητα II. Στην Ενότητα III συζητάμε τον τρόπο εκτίμησης του μεταβαλλόμενου ορίου. Στην Ενότητα IV επαληθεύουμε την εγκυρότητα της προσέγγισής μας σε ντετερμινιστικό σήμα -D που έχει μολυνθεί με τεχνητά προστιθέμενο θόρυβο ανάλογο με την ένταση του σήματος. Στο τέλος, η ενότητα V ολοκληρώνει την εργασία. II. FILTERING ΤΟΜΕΑ WAVELET Σε επέκταση σε σειρά της συνάρτησης διακριτού χρόνου f με χρήση κυμάτων, οι Mitko Kostov και Cvetko Mitrovski είναι με τη Σχολή Τεχνικών Επιστημών, I.L.Ribar bb, 7 Bitola, Μακεδονία, s:, cvetko. Ο Momcilo Bogdanov είναι μέλος της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογιών Πληροφορικής, Karpos II b.b., P.O. Πλαίσιο 574, Σκόπια, Μακεδονία, j J J M M f ( t) = d jk jk ( t) + a Jk φ Jk ( t) j = k = k = ψ, () ψ jk και Το φ jk δηλώνει το κυματίδιο και τη συνάρτηση κλιμάκωσης, αντίστοιχα, οι δείκτες j και k είναι για διαστολή και μετάφραση, και τα Jk και d jk είναι συντελεστές προσέγγισης και λεπτομέρειας. Η πιο δημοφιλής μορφή φιλτραρίσματος που βασίζεται σε κυματίδια, η συρρίκνωση κυματιδίων [], εκτελείται με στάθμιση του αντίστοιχου συντελεστή κυματιδίου λεπτομέρειας κατά h ik ( h jk ) και υπολογίζοντας τον αντίστροφο μετασχηματισμό κυματιδίων. Συμβατικά, η διήθηση πραγματοποιείται είτε χρησιμοποιώντας μη γραμμικότητα σκληρού κατωφλίου h (σκληρό), jk =, είτε χρησιμοποιώντας μη γραμμικότητα μαλακού κατωφλίου τ j sgn d h (μαλακό) jk = d jk, εάν ( ) jk d d jk jk τ < τ όπου Το τ j είναι ένα επίπεδο κατωφλίου που καθορίζεται από το χρήστη., εάν d d j j j jk jk τ < τ III. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΜΗ ΟΜΟΙΟΥ ΟΡΟΥ Έστω y δηλώνει ένα θορυβώδες σήμα που αποτελείται από ένα σήμα χωρίς θόρυβο s και θόρυβο n με μηδενική μέση τιμή και ενέργεια ανάλογη με την τοπική ένταση του σήματος: j j () (3) y = s + n. (4) Για αυτό το σήμα ο μετασχηματισμός κυματιδίου (WT) ικανοποιεί WT(y) = WT(s) + WT(n). (5) Έστω Α και D που υποδηλώνουν την προσέγγιση και τη λεπτομέρεια των συντελεστών κυματιδίων που λαμβάνονται με το μετασχηματισμό κυματιδίων του σήματος y. Δεδομένου ότι ο θόρυβος είναι ανάλογος με την ένταση του τοπικού σήματος, ένα όριο τ j για το φιλτράρισμα όλων των συντελεστών κυματιδίων λεπτομέρειας D δεν πρέπει να είναι ομοιόμορφο, αλλά θα πρέπει να ακολουθεί την τοπική ένταση σήματος. Ως εκ τούτου, ένα μη ομοιόμορφο κατώφλι θα μπορούσε να προσδιοριστεί ως τ = α A όπου α είναι μια σταθερή παράμετρος που θα μπορούσε να προσδιοριστεί εξισώνοντας την ενέργεια της προσέγγισης και τους συντελεστές λεπτομέρειας: 5

75Τα μη ομοιόμορφα κατώφλια για την αφαίρεση θορύβου που εξαρτάται από το σήμα στον τομέα κυματιδίων (α) (γ) (β) (δ) θα είναι μικρότερα από τους συντελεστές D όπου το τμήμα σήματος στο (5) είναι μεγαλύτερο, αλλά μεγαλύτερο από τους συντελεστές D n όπου δεν υπάρχει σήμα. Γενικά, εφόσον ο θόρυβος είναι ανάλογος της έντασης του τοπικού σήματος, για το κατώφλι τ μπορούν να γραφούν τα εξής: n ( n τ i) = α A( i) + L+ α A( i) + α, i =, L , L, (9) όπου L το μήκος των διανυσμάτων Α και τ. Οι συντελεστές α, α, μπορούν να ληφθούν ελαχιστοποιώντας το τετραγωνικό μέτρο Ε με την έννοια του μικρότερου τετραγώνου: n ( D ( i) ( A ( i) + + α A ( i α ) E = α n L + () ) i Για λόγους απλότητας, το κατώφλι τ μπορεί να πάρει τη μορφή (6), και ταυτόχρονα η συνάρτηση σφάλματος E που πρέπει να ελαχιστοποιηθεί είναι: ( D ( i) A ( i ) E = α ). () i 5 5 IV. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Δ i) = ( A( i) ) i Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούμε την εξ. (6) για τον προσδιορισμό του α, με βάση ένα σύνολο δύο νέων διανυσμάτων D και A (με μικρότερη διάσταση από τα αρχικά διανύσματα D και A) που δημιουργούνται χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα. Οι συντελεστές λεπτομέρειας D είναι σαν κύματα και αλλάζουν συχνά την πολικότητα τους. Επομένως, οι συντελεστές μεταξύ των θετικών και αρνητικών κορυφών έχουν μεγέθη που είναι κοντά στο μηδέν και απορρίπτουμε τη συμβολή τους διατηρώντας τα τοπικά άκρα στο D και μηδενίζοντας τους άλλους συντελεστές: i D( i) > max( D( i ), D ( i + ) ) D( i) if D( i) < min( D( i ), D( i + ) ) D i) (7) (e) = (f) Σε αυτήν την ενότητα, παρουσιάσαμε την πρότασή μας σε ένα ντετερμινιστικό σήμα -D μολυσμένο με τεχνητά παραγόμενο θόρυβο στο Σχήμα. Ο μη αποδεκατισμένος μετασχηματισμός κυματιδίου [3] εκτελείται χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο φίλτρο NPR-QMF [5], αντί για φίλτρα κυματιδίων. Λάβαμε ότι οι συντελεστές προσέγγισης ακολουθούν την περίγραμμα σήματος όπως απεικονίζεται στο Σχ. γ. Δεδομένου ότι ο θόρυβος εξαρτάται από το σήμα, οι συντελεστές λεπτομέρειας D ( α. (Εικ. (6) ) ακολουθούν το επίπεδο σήματος: η ένταση του σήματος στο κατά τα άλλα Ομοίως, κατασκευάζεται το διάνυσμα Α μηδενίζοντας τους συντελεστές προσέγγισης A για εκείνους τους δείκτες i όπου D (i) = : A = A πρόσημο( D ) Σχήμα. δ) ανακατασκευασμένο σήμα χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη προσέγγιση. (ε) ανακατασκευασμένο σήμα χρησιμοποιώντας το καθολικό καθολικό κατώφλι με db7. (στ) ανακατασκευασμένο σήμα με χρήση προϊόντος πολλαπλής κλίμακας. Δεδομένου ότι οι συντελεστές D και αa έχουν ίση ενέργεια και ταυτόχρονα, οι συντελεστές D περιέχουν στενότερες και υψηλότερες κορυφές σε σύγκριση με τους συντελεστές αa, οι συντελεστές αa διάστημα -6 είναι υψηλότεροι από την ένταση του σήματος στα διαστήματα 6-8 και 8- , άρα ο θόρυβος είναι υψηλότερος στο διάστημα -6, ενώ ο χαμηλότερος στο διάστημα 8-. Συγκρίνοντας το Σχ. α και το Σχ. β μπορεί να φανεί ότι οι συντελεστές D περιέχουν λεπτομέρειες σήματος Ds με υψηλότερες εντάσεις γύρω από τις θέσεις 6 και 8 (άλματα στο Σχ. α, δηλ. κορυφές στο Σχ. β). ενώ στις άλλες περιοχές, στο διάστημα -, υπάρχει θόρυβος. Επίσης, στο Σχήμα b μπορεί να παρατηρηθεί ότι ένα σημαντικό μέρος των συντελεστών λεπτομέρειας έχουν τιμές κοντά στο μηδέν ως συνέπεια της γρήγορης αλλαγής της πολικότητας τους. Πειραματιστήκαμε με ανομοιόμορφα κατώφλια που υπολογίστηκαν με δύο τρόπους: ) με εξ. (6) χρησιμοποιώντας εξισορρόπηση ενέργειας των νέων διανυσμάτων A και D στο (8). ) με εξ. (9) για διαφορετική πολυωνυμική τάξη n και ελαχιστοποίηση του (). Τα κατώφλια ακολουθούν το ύψος των κορυφών λεπτομέρειας όπως φαίνεται στο Σχ. 3: το επίπεδο θορύβου είναι υψηλότερο. τα κατώφλια είναι υψηλότερα και το αντίστροφο. Εάν κάνουμε μια σύγκριση δύο ορίων που λαμβάνονται με ) και ), το πρώτο κατώφλι επεκτείνεται και πλησιάζει τις κορυφές των συντελεστών D, πράγμα που σημαίνει ότι δημιουργείται καλύτερα από το δεύτερο. Αυτό απεικονίζεται στο Σχ. 3. Όταν ένα όριο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το (9), ο αριθμός των όρων (n), δεν έχει σημαντική επίδραση στο όριο. 5

76Mitko Kostov, Cvetko Mitrovski and Momčilo Bogdanov () (b) Fig. Part of the first-level valence coefficients. (a) Coefficients of approximation A. (b) coefficients of detail D τ = α *A τ = α*sqrt(e D /E A ) τ = α *A +α *A+α τ = α 3 *A 3 +α * A τ = α *A+ α.5 τ=α 4 *A 4 +α 3 *A Figure 3. Details and different estimated non-uniform thresholds: Threshold obtained by energy balancing when τ = αa (8) and thresholds obtained by minimization minimization ( ) for different orders of polynomial (9) (for clarity, only values ​​from to 3.5 are shown). Furthermore, the experiment shows that although the energy balancing procedure is simpler than the minimization procedure, it works with a better bound estimate. The values ​​of these coefficients α and in (9) obtained by minimizing ( ) in terms of the least square and error ( ) for different polynomial orders are given in Table I. Using a non-uniform threshold preserves signal coefficients while removing noise coefficients. This is shown in Figure 4 where the denoised detail coefficients and the filtered detail coefficients are given. The coefficients are filtered with a threshold τ = αa where α is calculated via the coefficients A and Δ in (8). If a global threshold was used, it was not possible to reduce the noise without simultaneously removing part of the signal. Therefore, the reconstructed signals when using a global threshold or a multi-scale product suffer from distortion at the signal jump points, while there is no distortion in the signal filtered by the proposed approach. This distortion occurs as a result of removing the signal information contained in the detailed coefficients when global thresholding is used. This is shown in figures d, e and f. In order to quantitatively compare the proposed method with some known methods based on rollers, we use the residual noise energy in the filtered signal s as a measure: E n = i ( s i) s (i)) () 53

77Nonuniform thresholds for signal-dependent denoising in the wavelet domain (a) Figure 4. (a) Detail coefficients of the first level of the noise-free signal. (b) Filtered coefficients using the limit τ = αa when α is calculated via coefficients A and D in (8). The table contains the results when the signal is reconstructed by first-level approximation and filtered detail coefficients. It can be seen that when the proposed approach is applied, the noise energy is lower compared to other methods that use a global threshold. V. CONCLUSION In this paper, we provide some views and experimental results derived from the proposed method for denoising signals containing signal-dependent noise. Experiments give an advantage to the proposed method compared to known methods based on rollers. REFERENCES [] D. L. Donoho, "Wavelet Thresholding and W.V.D.: A - minute Tour", Int. link on Wavelets and Applications, Toulouse, France, June 99 [] Y. Xu, J. B. Weaver, D. M. Healy, Jr., and J. Lu Wavelet Transform Domain Filters: A Spatially Selective Noise Filtration Technique, IEEE Trans. on image processing, Vol. 3, no. 6, p., number 994; [3] E. J. Balster, Y. F. Zheng, and R. L. Ewing Wavelet Shrinkage Feature-Based Denoising Algorithm, IEEE Trans. on image processing, Vol. 4, no., p. 4-39, December 5; [4] R. D. Nowak, R. G. Baraniuk, Wavelet-Domain Filtering for Photon Imaging Systems, IEEE Trans. on image processing, Vol. 8, no. 5, p., May 999; [5] S. Bogdanova, M. Kostov and M. Bogdanov, Designing QMF banks with a reduced number of iterations, IEEE Int. link on signal processing, application and technology, ICSPAT 99, Orlando, USA, November (b) TABLE I COEFFICIENTS a and IN (9) OBTAINED BY MINIMIZING () AND ERROR () Polynomial error E Coefficients of order n, αn, , α, α in () (α ) (α =) e-3 * e-4 * e-5 * TABLE II RESIDUAL NOISE ENERGY IN DIETIZED SIGNAL WITH PROPOSED METHOD AND KNOWN METHODS Known methods Proposed global valić [] [ 4] sq.root [] [] sym sym coif coif db db

78CSIT SESSION IV Computer systems and Internet technologies IV


80GUI to Web Transcoding. Τα κύρια περιβάλλοντα εργασίας και οι διεπαφές παρατίθενται καθώς και τα κύρια γραφικά περιβάλλοντα. Απεικονίζεται ένα σχέδιο υλοποίησης. Παρατίθενται τα κύρια μειονεκτήματα των σημερινών προσεγγίσεων, ενώ παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της νέας προσέγγισης. Λέξεις-κλειδιά - διακωδικοποίηση, περιβάλλοντα, διεπαφές, γραφική διεπαφή χρήστη, διεπαφή ιστού I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μέχρι στιγμής χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες προσεγγίσεις για τον μετασχηματισμό εφαρμογών: Απομακρυσμένη διαχείριση Ιστού (Remote Desktop, VNC) Στοιχεία ελέγχου ActiveX για σύνδεση IE με απομακρυσμένο Office Express Components FireFox ons: AutoCAD, SolidWorks, κ.λπ. Τα κινούμενα σχέδια Flash λειτουργούν σαν ActiveX ή πρόσθετα Το κύριο μείον των μεθόδων που αναφέρονται είναι η έλλειψη ενοποίησης. Επίσης, το λογισμικό φαίνεται διαφορετικά στα διαφορετικά συστήματα. Ο έλεγχος γίνεται από JavaScript και Visual Basic, η ανάπτυξη είναι δύσκολη, ακριβή και ανασφαλής. Ένα μειονέκτημα είναι ότι τα διαφορετικά εξαρτήματα δεν λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο κάθε φορά και δεν υπάρχει φορητότητα. Στη διαχείριση Ιστού, ο έλεγχος του συστήματος αναλαμβάνεται από τον νέο απομακρυσμένο χρήστη αφήνοντας τον τρέχοντα χρήστη χωρίς έλεγχο. II. ΤΥΠΟΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΠΡΑΞΗ ΧΡΗΣΤΗ Με περισσότερες λεπτομέρειες τα περιβάλλοντα για τη διεπαφή χρήστη και ένας αλγόριθμος ανίχνευσης εξετάζονται στο []. Αυτοί είναι: Ο Tsvetan V. Filev είναι με τη Σχολή Συστημάτων Υπολογιστών και Ελέγχου, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, Kliment Ohridski 8, Σόφια, Βουλγαρία, Ο Julian Pankov είναι με τη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, Kliment Ohridski 8,, Sofia, Bulgaria, 3 Ο Ivan Pankov είναι μέλος της Σχολής Συστημάτων Υπολογιστών και Ελέγχου, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, Kliment Ohridski 8, Σόφια, Βουλγαρία, Περιβάλλον Shell, περιβάλλον Web , ερώτημα SOAP, ερώτημα XML- RPC, ερώτημα REST, ερώτημα καθαρού ιστού GET ή POST, WAP, Γραφικό περιβάλλον (GTK), Διαφορετικές κινητές συσκευές (PDA, Smart phone) Φυσικά η λίστα υπόκειται σε αλλαγές και πάντα περισσότερα περιβάλλοντα μπορούν να προστέθηκε παρόμοιο περιβάλλον για έλεγχο ήχου με βάση το VoiceXML το οποίο έχει αναπτυχθεί, τυποποιηθεί, τεκμηριωθεί και υποστηρίζεται από το W3C[3]. III. ΜΕΤΑΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ - ΟΡΙΣΜΟΣ Η διακωδικοποίηση [] βρίσκεται σε πολλούς τομείς προσαρμογής περιεχομένου, αλλά εδώ θα παρουσιαστεί στην περιοχή προσαρμογής περιεχομένου που δημιουργείται από συστήματα υπολογιστών και υιοθετείται για συσκευές PDA ή SmartPhone. Στον τομέα των φορητών συσκευών η διακωδικοποίηση δεδομένων είναι υποχρεωτική λόγω του πολύχρωμου χρώματος για να εξασφαλίζεται καλή εμφάνιση. Ένα παράδειγμα είναι η λήψη μιας φωτογραφίας με υψηλή ανάλυση και η αποστολή της σε άλλο τηλέφωνο που εμφανίζει χαμηλή ανάλυση. Απαιτείται διακωδικοποίηση της εικόνας για τη μείωση της ανάλυσης προκειμένου να εμφανίζεται σωστά στην απομακρυσμένη συσκευή. Εκτός από το ότι η απεικόνιση της εικόνας γίνεται καλύτερη μερικές φορές είναι υποχρεωτικό για να εμφανιστεί καθόλου η εικόνα. Η διακωδικοποίηση περιορίζεται σε μετασχηματισμό δεδομένων για ένα σύστημα σε μορφή κατάλληλη για ένα άλλο. Εκτός από τον μετασχηματισμό δεδομένων, εξετάζεται ένας μετασχηματισμός της υπολογιστικής ισχύος του απομακρυσμένου τερματικού. Κατά την εμφάνιση του αποτελέσματος, το τερματικό εκμεταλλεύεται την υπολογιστική ισχύ του υπολογιστή στον οποίο ξεκίνησε η εφαρμογή. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται η υπολογιστική ισχύς του απομακρυσμένου τερματικού. Μια ακόμη λειτουργικότητα που προσθέτει είναι η επέκταση της λειτουργικότητας των εφαρμογών επιφάνειας εργασίας σε εφαρμογές δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο ακόμη και οι απλές εφαρμογές ενός χρήστη χωρίς δικτύωση μπορούν να μετατραπούν σε δικτυωμένες χωρίς προβλήματα μόνο με τη βοήθεια ενός web server. IV. ΤΥΠΟΙ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΙΑΠΡΑΞΕΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Windows αυτό το λειτουργικό σύστημα είναι πλήρως γραφικό και δίνει στους χρήστες μια πολύ καλή ανεπτυγμένη διεπαφή που από μόνη της επιτρέπει την ανάπτυξη πολλών εφαρμογών όπως βιντεοπαιχνίδια, συστήματα CAD, συστήματα για τρισδιάστατη μοντελοποίηση, κείμενο επεξεργασία, απεικόνιση και βίντεο. Unix/Linux/BSD αυτά είναι λειτουργικά συστήματα βασισμένα σε κείμενο και διαθέτουν διακομιστή γραφικών που ονομάζεται διακομιστής X, που επιτρέπει τη δημιουργία εφαρμογών λογισμικού εξαιρετικής ποιότητας. Φυσικά εδώ υπάρχει μια πλήρης κλίμακα 57

81GUI σε εφαρμογές Web Transcoding για όλους τους σκοπούς. Mac OS αυτό είναι το πρώτο γραφικό λειτουργικό σύστημα. Και ως εκ τούτου αντιπροσωπεύει ένα από τα καλύτερα ανεπτυγμένα γραφικά περιβάλλοντα χρήστη. Οι τελευταίες εκδόσεις βασίζονται στο UNIX και ως εκ τούτου έχουν ενσωματωμένο διακομιστή X. βοηθώντας τις εφαρμογές διακομιστή και τις υπηρεσίες web, όπως SOAP, XML RPC ή υπηρεσίες Windows. V. ΤΥΠΟΙ ΔΙΑΚΟΜΙΣΤΩΝ WEB Ο IIS Internet Information Server αναπτύχθηκε από τη Microsoft. Η αρχή του τοποθετείται σαν μέρος των τελευταίων εκδόσεων του λειτουργικού συστήματος Windows NT με σημαντική λειτουργικότητα για την εποχή του. Στα ακόλουθα προϊόντα Windows εμφανίζονται οι επόμενες εκδόσεις που επιτρέπουν τη δημιουργία δυναμικών σελίδων με χρήση ASP και νεότερες εφαρμογές Ο Apache είναι ένας διακομιστής ιστού που αναπτύχθηκε από το Apache Software Foundation και είναι πλήρως ανοιχτού κώδικα. Η πρώτη δημόσια έκδοση δημοσιεύτηκε το 995. Επί του παρόντος, είναι ο διακομιστής δεύτερης γενιάς με αρθρωτή δομή και καλή ανεπτυγμένη δυνατότητα διαμόρφωσης. Οι διακομιστές επιτρέπουν την εκτέλεση όλων των ειδών εφαρμογών συμπεριλαμβανομένου του.net μέσω της κοινής διεπαφής πύλης ή μέσω ενός προγράμματος χειρισμού που έχει φορτωθεί στον διακομιστή. VI. ΣΧΕΔΙΟ ΜΕΤΑΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ Ένα σχήμα διακωδικοποίησης απεικονίζεται στην Εικ.. Σε έναν δεδομένο επιτραπέζιο υπολογιστή ή διακομιστή εκκινούνται σε εξέλιξη διακομιστής ιστού, μετακωδικοποιητής και μια δεδομένη γραφική εφαρμογή (δηλαδή Windows, Apache, MathLab ). Το απομακρυσμένο πρόγραμμα περιήγησης ιστού εκτελεί το ερώτημα POST ή GET στον διακομιστή ιστού χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο http στέλνοντας δεδομένα από το ποντίκι και το πληκτρολόγιο. Ο διακομιστής web λαμβάνει το ερώτημα και εκτελεί τον μετακωδικοποιητή μεταβιβάζοντας του τα συμβάντα. Ο μετακωδικοποιητής μέσω του API επικοινωνεί με τη γραφική εφαρμογή μεταβιβάζοντας της τα συμβάντα. Στη συνέχεια, ο transcoder δημιουργεί εικόνα που είναι η τρέχουσα κατάσταση της εφαρμογής και επιστρέφει το αποτέλεσμα μέσω του διακομιστή web στο πρόγραμμα περιήγησης Ιστού. Εικ.. Μια τροποποίηση του σχήματος διακωδικοποίησης που επιτρέπει την εκτέλεση γραφικών εφαρμογών που φιλοξενούνται εξ αποστάσεως από τον διακομιστή. Το προνόμιο είναι ότι μπορούν να εκτελεστούν εφαρμογές από πολλούς κεντρικούς υπολογιστές σε ένα τοπικό δίκτυο μόνο με έναν διακομιστή web. Αυτή η τροποποίηση είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη λογισμικού διαχείρισης. Εικ. 3. Μια τροποποίηση του μετακωδικοποιητή που εξαλείφει την ανάγκη διακομιστή Ιστού Στο Σχ. 3 απεικονίζεται μια τροποποίηση του σχήματος που εξαλείφει τον διακομιστή Ιστού ενώ ο μετακωδικοποιητής ακούει απευθείας στη θύρα 8 ή σε κάποια άλλη θύρα. Με αυτόν τον τρόπο απομακρυσμένες ή επιτραπέζιες εφαρμογές PDA επικοινωνούν απευθείας με τις γραφικές εφαρμογές. Με αυτόν τον τρόπο η διακωδικοποίηση επιταχύνεται και γίνεται ευκολότερη. VII.ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ Στο Σχ. 4 απεικονίζεται μια πραγματοποίηση. Οι υπηρεσίες Windows χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση των διαδικασιών ανταλλαγής δεδομένων. Στο Σχ. 5 απεικονίζεται μια υλοποίηση με συμπεριλαμβανόμενη συμπίεση gzip. Εικ.. Ένα σχήμα διακωδικοποίησης γραφικής εφαρμογής από το λειτουργικό σύστημα φιλοξενίας σε ιστοσελίδα στο Διαδίκτυο. Εικ. 4. Διάγραμμα UML υλοποίησης.net Στο Σχ. απεικονίζεται μια τροποποίηση του σχήματος από το Σχ. Εδώ ο transcoder και ο web server βρίσκονται σε διαφορετικούς κεντρικούς υπολογιστές που επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω του 58

82Users Tsvetan Filev, Julian Pankov and Ivan Pankov use resources. A large field of application of the method is distance education and mobile education. REFERENCES Figure 5. Image with gzip compression VIII. CONCLUSIONS The main shortcomings of existing transcoding methods are presented and a unique and universal method is described. The development can be converted into a transcoding middleware. In the current implementation, a GUI running on a desktop runs in background mode and does not interfere with the current [] T. Filev, Environment Convergence, TU-Sofia, 6 [] [3] [4] Wiki for. net developers, 7, [5] Nweman M., A controlled thread notification queue with generics, 6, e.asp?df=&forumid=3369&exp=&select= [6] Libraries. Pocket PC Developer Network, 6, [7] Nikitas, M., Improve Performance of XML Web Services with SOAP Compression, 3, [8].NET Zip Library #ziplib (SharpZipLib), 7, 59

83This page is intentionally left blank. 5

84Ταξινόμηση των ταξινομητών G. Gluhchev, M. Savov και O. Boumbarov Περίληψη Σε αυτή την εργασία περιγράφεται η σχέση μεταξύ τριών ευρέως χρησιμοποιούμενων στην πράξη ταξινομητών Mahalanobis distance, K πλησιέστερων γειτόνων και πλειοψηφίας, και του βέλτιστου ταξινομητή όσον αφορά τις ελάχιστες μέσες απώλειες. Η απόδοση της απόδοσής τους ελέγχεται πειραματικά στο πραγματικό πρόβλημα της αναγνώρισης υπογραφών. Λέξεις-κλειδιά Απόσταση Μαχαλανόμπης, Κ πλησιέστεροι γείτονες, Ψήφος πλειοψηφίας. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτή την εργασία συζητούνται τρεις από τους πιο δημοφιλείς ταξινομητές, δηλαδή ο ταξινομητής που βασίζεται στην απόσταση Mahalanobis, ο K πλησιέστερος γείτονας και η πλειοψηφία. Χρησιμοποιώντας τη θεωρητική διάταξη του βέλτιστου ταξινομητή ως προς τις ελάχιστες μέσες απώλειες, κάνουμε μια προσπάθεια να δείξουμε πώς οι διαφορετικοί ταξινομητές αναφέρονται στον βέλτιστο (Bayesian). Η θεωρία της στατιστικής αναγνώρισης προτύπων υποθέτει ότι ορισμένες εκ των προτέρων πληροφορίες είναι διαθέσιμες, συμπεριλαμβανομένων των προηγούμενων πιθανοτήτων Р(Ω ) και Р(Ω ) των κλάσεων, των συναρτήσεων πυκνότητας χαρακτηριστικών f (x) και f (x) και των απωλειών που προκύπτουν από λανθασμένη ταξινόμηση. και σ αντίστοιχα. Ο βέλτιστος ταξινομητής που ελαχιστοποιεί τις μέσες απώλειες ορίζεται ως [] ή x Ω εάν P(Ω x) x Ω, διαφορετικά P(Ω x) c / c, x Ω εάν f( x) f ( x) P(Ω ) c / P(Ω) c, x Ω, διαφορετικά Η συνθήκη () περιλαμβάνει εκ των υστέρων πιθανότητες των κλάσεων, ενώ η συνθήκη δύο βασίζεται στη μέγιστη αναλογία πιθανότητας. Εάν P( Ω = P(Ω ) και c = c, η απόφαση λαμβάνεται σύμφωνα με τη μέγιστη εκ των υστέρων αναλογία πιθανότητας ή πιθανότητας. Εφόσον είναι σταθερές, θα υποθέσουμε ότι είναι ίσες. Ο Georgi Gluhchev και ο Mladen Savov ανήκουν στο Ινστιτούτο Πληροφοριών Technologies of the Bulgarian Academy of Sciences, Acad. Str., Sofia, Bulgaria () () II. ΑΠΟΣΤΑΣΗ MAHALANOBIS Σε περίπτωση κανονικών κατανομών η ανισότητα () θα φαίνεται ως εξής t t -[( x-m - - e ) S (x -m)-(x-m) S ( x-m ή μετά τη λήψη ενός λογάριθμου )] ( x-m ) t S - ) (x-m ) t S - (x -m ( x-m) (4) Η εξίσωση (4) είναι στην πραγματικότητα μια σύγκριση της απόστασης Mahalanobis του x προς τα κέντρα m και m του οι κλάσεις και οι S και S είναι οι πίνακες συνδιακύμανσής τους III. K - ΚΟΝΤΙΣΤΕΣ ΓΕΙΤΟΝΕΣ Όταν δεν μπορούν να γίνουν δικαιολογημένες υποθέσεις για τις κατανομές προηγούμενων και υπό όρους κλάσεων, χρησιμοποιούνται μη παραμετρικοί ταξινομητές. Ένας από τους πιο δημοφιλείς μεταξύ τους είναι ο Κ- πλησιέστερος γείτονας, όπου ένα σημείο x συνδέεται με την κλάση Ω i, με την προϋπόθεση ότι ο λόγος к i /K των к i αντιπροσώπων του μεταξύ των K πλησιέστερων γειτόνων στο K είναι μέγιστος []. Αξίζει να σημειωθεί ότι χωρίς να ακολουθήσουμε τις στατιστικές εκτιμήσεις, αυτός ο εμπειρικός ταξινομητής αξιολογεί τη μέση εκ των υστέρων πιθανότητα P(Ω i x) σε μια γειτονιά του x. Έτσι, θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει ότι ο ταξινομητής K πλησιέστερου γείτονα είναι μια εμπειρική προσέγγιση στον βέλτιστο ταξινομητή Bayes. Ωστόσο, πρέπει να προσέξουμε ότι αυτός ο ταξινομητής υποθέτει σιωπηρά ότι η ποσότητα των δειγμάτων εκπαίδευσης αντιστοιχεί στις προηγούμενες πιθανότητες των κλάσεων. Εάν δεν συμβαίνει αυτό, το σφάλμα ταξινόμησης μπορεί να είναι πολύ υψηλό. IV. PARZEN WINDOWS Το παράθυρο Parzen χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της συνάρτησης πυκνότητας χαρακτηριστικών σε μια γειτονιά ενός σημείου []. Επομένως, σύμφωνα με την ανισότητα () ο ταξινομητής με βάση τα παράθυρα Parzen θα μπορούσε επίσης να είναι βέλτιστος. Η ακρίβεια της αξιολόγησης εξαρτάται από την ποσότητα των δειγμάτων, αφενός, και από τον όγκο της γειτονιάς, αφετέρου. Αυτή η προσέγγιση μοιάζει με μια μεγάλη έκταση του K-πλησιέστερου γείτονα. Η διαφορά είναι ότι αντί για τον αριθμό Κ εδώ είναι προκαθορισμένος ο όγκος της γειτονιάς. Το πλεονέκτημα συνίσταται στην ανεξαρτησία του από τις προηγούμενες πιθανότητες των τάξεων, δηλαδή, το διαφορετικό μέγεθος των ακολουθιών εκπαίδευσης για διαφορετικές τάξεις δεν θα επηρεάσει την αξιολόγηση. Η χρήση των παραθύρων Parzen για την ταξινόμηση σημαίνει στην πραγματικότητα ότι θεωρούνται ίσες προηγούμενες πιθανότητες. (3) 5

85Ταξινόμηση των ταξινομητών V. ΨΗΦΟΦΟΡΟΣ ΠΛΕΙΟΨΗΦΙΑΣ Συχνά στην πράξη λαμβάνεται μια απόφαση ανάλογα με τον αριθμό των ψήφων. Μια τέτοια προσέγγιση ισχύει για το πρόβλημα ταξινόμησης, υπό τον όρο ότι όλα τα χαρακτηριστικά αντιμετωπίζονται ως ανεξάρτητοι ψηφοφόροι ίσης σημασίας με τον ακόλουθο τρόπο. Το διάστημα [ xminij, xmaxij] προσδιορίζεται για το i ο χαρακτηριστικό και η j η κλάση. Όλες οι τιμές χαρακτηριστικών ενός άγνωστου αντικειμένου x ελέγχονται αν ανήκουν στο αντίστοιχο διάστημα των κλάσεων. Εάν το αποτέλεσμα της δοκιμής είναι θετικό για μια συγκεκριμένη τάξη, η βαθμολογία της αυξάνεται κατά. Ο νικητής καθορίζεται από τη μέγιστη βαθμολογία. Αυτός ο ταξινομητής θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί ως σχετικός με τον προαναφερθέντα, με την προϋπόθεση ότι για κάθε κλάση καθορίζεται ένα παράθυρο Parzen μεγέθους ίσο με το διάστημα του αντίστοιχου χαρακτηριστικού. Ένας μέγιστος αριθμός ψήφων θα μπορούσε να εκχωρηθεί σε περισσότερες από μία τάξεις όταν χρησιμοποιείται αυτή η προσέγγιση. Για ορισμένα συγκεκριμένα προβλήματα, όπως η επαλήθευση υπογραφής, πρόσθετα δείγματα από την ίδια κατηγορία ενδέχεται να λύσουν το πρόβλημα. VI. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ Για να ελεγχθεί πώς υποστηρίζεται η παραπάνω συλλογιστική από την πρακτική, οι ταξινομητές έχουν εφαρμοστεί στο πραγματικό πρόβλημα του ελέγχου ταυτότητας υπογραφής. Για αυτό 4 εθελοντές έχουν καταγραφεί από τηλεοπτική κάμερα. Κάθε εθελοντής υπέβαλε υπογραφές που έχουν χρησιμοποιηθεί για εκπαίδευση. Τα ακόλουθα 8 χαρακτηριστικά έχουν μετρηθεί από κάθε σήμανση: ) δ μήκος υπογραφής ως αριθμός καρέ, ) α προσανατολισμός του χεριού, 3) β αζιμούθιο στυλό, 4) γ κλίση στυλό, 5) δ = α β, 6) r / r - λόγος των αποστάσεων μεταξύ του κέντρου της πένας και του περιγράμματος του χεριού, 7) Р περίμετρος του πολυγώνου που ορίζεται από τα χαρακτηριστικά σημεία του περιγράμματος του άνω χεριού, 8) Α εμβαδόν του πολυγώνου [3]. Η απόδοση ελέγχου ταυτότητας των ταξινομητών έχει αξιολογηθεί ως προς το μέσο, ​​το ελάχιστο και το μέγιστο σφάλμα. Για να γίνει αυτό, οι υπογραφές κάθε εθελοντή έχουν προσομοιωθεί χρησιμοποιώντας τη γεννήτρια τυχαίων αριθμών του Matlab και την υπόθεση των στατιστικά ανεξάρτητων χαρακτηριστικών []. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης φαίνονται στον Πίνακα. Για την απόσταση Mahalanobis λήφθηκε ένα μέσο σφάλμα ταξινόμησης % (Πίνακας, γραμμή, στήλη ). Απόλυτο αποτέλεσμα % σφαλμάτων λήφθηκε για 6 εθελοντές, ενώ το μέγιστο σφάλμα % λήφθηκε από έναν από αυτούς. Για τον ταξινομητή K-πλησιέστερων γειτόνων λήφθηκε ένα μέσο σφάλμα περίπου.% όταν χρησιμοποιήθηκε ένας γείτονας. Για τρεις ή πέντε γείτονες το μέσο σφάλμα ήταν ελαφρώς υψηλότερο (Πίνακας, γραμμές 3 και 4). Για την πλειοψηφία περίπου το 6% των λανθασμένων ταξινομήσεων και ένα μέγιστο σφάλμα 9,6% έχουν παρατηρηθεί (Πίνακας, γραμμή 5). Τραπέζι. Αποτελέσματα από την πειραματική σύγκριση των ταξινομητών Ταξινομητής Μέσο σφάλμα % Ελάχιστο σφάλμα % Μέγιστο σφάλμα % Mahalanobis. γείτονες γείτονες Ψηφοφορία της πλειοψηφίας Μια ξεχωριστή έρευνα με τα παράθυρα Parzen δεν έχει διεξαχθεί λόγω του μικρού αριθμού των δεδομένων εκπαίδευσης. VII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Στην παρούσα εργασία αναλύθηκαν και συγκρίθηκαν τρεις από τους πιο δημοφιλείς ταξινομητές. Σκιαγραφήθηκε η μεταξύ τους σχέση, που απορρέει από τις υποθέσεις σχετικά με τις διαθέσιμες εκ των προτέρων πληροφορίες. Αποδείχθηκε ότι ο ταξινομητής με βάση το Mahalanobis ήταν σχεδόν βέλτιστος με την έννοια των ελάχιστων απωλειών και της κανονικής κατανομής των χαρακτηριστικών. Οι εμπειρικές εκτιμήσεις των εκ των υστέρων πιθανοτήτων των κλάσεων λαμβάνονται όταν εφαρμόζεται ο ταξινομητής Κ-πλησιέστερου γείτονα, με την προϋπόθεση ότι ο όγκος των ακολουθιών εκπαίδευσης είναι ανάλογος με τις προηγούμενες πιθανότητες. Παρόμοια συμπεριφορά θα μπορούσε να αναμένεται εάν οι συναρτήσεις πυκνότητας κλάσης αξιολογηθούν χρησιμοποιώντας τα παράθυρα Parzen. Η πλειοψηφία θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια εκφυλισμένη απόκλιση των παραπάνω ταξινομητών. Η πειραματική σύγκριση που πραγματοποιήθηκε με πραγματικά δεδομένα επιβεβαίωσε τη θεωρητική ανάλυση. Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να ληφθούν υπόψη όταν πρέπει να επιλυθούν πρακτικά προβλήματα ταξινόμησης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών της Βουλγαρίας, Σύμβαση αριθ. BY TH-/6 και BioSecure Network of Excellence, Contract No 57634/4. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] R. O. Duda, P. E. Hart, Pattern Classification and Scene Analysis, Jon Wiley & Sons, N. Y., London, Sydney Toronto, 999 [] M. Savov, G. Gluhchev, O. Bumbarov, Experiments on Signature Identification with Hand- System Features, Proc. του Int. Coference Automatics and Informatics, Sofia, 6, pp [3] M. Savov, G. Gluhchev. Επαλήθευση υπογραφής μέσω διερεύνησης κίνησης Hand-Pen, Proc. Int. Συνδ. Recent Advances in Soft Computing, Canterbury, 6, pp

86Μέθοδοι Γραφικής Αναπαράστασης Καμπυλών σε συστήματα CAD στην Πλεκτοβιομηχανία Έλενα Ιβ. Zaharieva-Stoyanova Περίληψη Αυτή η εργασία ασχολείται με τα προβλήματα που σχετίζονται με τη δημιουργία καμπυλών και την εφαρμογή της στη βιομηχανία πλεκτών συστημάτων CAD/CAM. Οι μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν για μια δημιουργία καμπύλης στο σχέδιο μοτίβων αντικειμένων πλέξης. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι αναθεωρούνται και δημιουργούνται ορισμένες συναρτήσεις για τη δημιουργία καμπύλης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενότητες προγραμματισμού σε ένα σύστημα CAD για σχεδιασμό μοτίβων πλεξίματος. Λέξεις-κλειδιά Γραφικά υπολογιστών, συστήματα CAD/CAM, παραμετρικές κυβικές καμπύλες, καμπύλες Bezier, B-splines, μέθοδος πλέξης FF. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ανάπτυξη συστημάτων CAD/CAM χρειάζεται λύση ορισμένων προβλημάτων που σχετίζονται με τη γραφική αναπαράσταση σχεδιασμένων αντικειμένων σε ψηφιακή μορφή. Γενικά, η εφαρμογή γραφικών ηλεκτρονικών υπολογιστών στη βιομηχανία πλέξης συστήματα CAD/CAM έχει δύο πτυχές: - Σχεδιασμός πλεκτών κατασκευών. - σχεδιασμός σχημάτων μοτίβων πλεξίματος. Το δεύτερο σχετίζεται με την ικανότητα της πλεκτομηχανής να παράγει προϊόντα με τη μέθοδο full-fashion (FF). Σημαίνει ότι το μηχάνημα πλέκει τα κομμάτια των προϊόντων ή ολόκληρα τα προϊόντα. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει την αποφυγή κοπής των υλικών, μειώνει τον αριθμό των εργασιών και οδηγεί στη μείωση των απορριμμάτων στο ελάχιστο. Συνήθως, ως σχεδιασμένα αντικείμενα τα σχέδια των προϊόντων πλεξίματος αναπαρίστανται με πολύγωνα ευθείας γραμμής. [],[] Αυτός ο τρόπος αναπαράστασης μοτίβου χρησιμοποιείται για τους ακόλουθους λόγους: είναι δυνατόν το μέγεθος των προϊόντων πλεξίματος να έχει μικρή ανοχή εντός ± cm. Είναι πιο εύκολο να επεξεργαστείτε τις ευθείες παρά τις καμπύλες. Οι πλεκτομηχανές δεν είναι τόσο ακριβείς στην παραγωγή υλικών. Αυτή η ακρίβεια εξαρτάται από την απόδοση μιας μηχανής πλεξίματος που ονομάζεται fine ή gauche. Η απόδοση σχετίζεται με τον αριθμό των βελόνων ανά ίντσα ή εκατοστό. Καθορίζει επίσης το μέγεθος του βρόχου και το πάχος του νήματος. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά διακρίνουν μια παρουσίαση σχεδίων πλεξίματος από τα μοτίβα υφασμάτων ένα. Εξαιτίας αυτών των λόγων, τα σχέδια των προϊόντων πλεξίματος περιγράφονται ως πολύγωνα με ευθείες γραμμές χωρίς καμπύλες. Εάν υπάρχει καμπύλο τμήμα, οι εργάτες το σχηματίζουν επιπλέον κόβοντας υλικό. Η Elena Ivanova Zaharieva-Stoyanova συνεργάζεται με το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Gabrovo, 4 H. Dimitar str, 53 Gabrovo, Bulgaria, E-mail: Αυτή η εργασία αντιμετωπίζει τα προβλήματα που σχετίζονται με την αναπαράσταση καμπυλών ως αντικείμενο στα γραφικά υπολογιστών. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν για τη δημιουργία μιας καμπύλης στον σχεδιασμό μοτίβων αντικειμένων πλέξης. Ανασκοπούνται οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι. Ομοίως, οι μέθοδοι δημιουργίας καμπύλης που χρησιμοποιούνται στην αναπαράσταση μοτίβων υφασμάτων δίνονται στο [3] αλλά όπως αναφέρθηκε ήδη τα σχήματα των σχεδίων πλεξίματος είναι πιο ευέλικτα. Αυτό που στοχεύει εδώ είναι η εφαρμογή περισσότερων μεθόδων στο σχεδιασμό αντικειμένων σχεδίων πλεξίματος. Οι συναρτήσεις που σχεδιάζουν καμπύλες δημιουργούνται με αυτές τις μεθόδους. Οι εν λόγω λειτουργίες θα χρησιμοποιηθούν για τη γραφική αναπαράσταση των μοτίβων των προϊόντων πλεξίματος. Η ανάπτυξή τους σχετίζεται στενά με την απαίτηση υλοποίησης του προϊόντος πλεξίματος, δηλαδή την απόκτηση μιας μορφής σχεδίου πλεξίματος που θα ταιριάζει με το σχέδιο. Ωστόσο, είναι το κύριο πρόβλημα της μεθόδου πλεξίματος FF, εξ ου και η προσπάθειά μας να δείξουμε ορισμένες δυνατότητες χρήσης σε συστήματα CAD/CAM στον αυτοματισμό της βιομηχανίας πλεξίματος. II. ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΚΥΒΙΚΩΝ ΚΑΜΠΥΛΩΝ Οι κυβικές καμπύλες χρησιμοποιούνται συνήθως στα γραφικά υπολογιστών επειδή είναι αρκετά ευέλικτες και όχι τόσο πολύπλοκες [4],[5],[6]. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθόρισαν τον τρόπο με τον οποίο το χαρτί εξετάζει την εφαρμογή των εν λόγω καμπυλών. Α. Παραμετρικές κυβικές καμπύλες Η παραμετρική μορφή αναπαράστασης καμπύλης είναι περισσότερο χρησιμοποιήσιμη: x( t) y( t) 3 = a3t + at + at + a () 3 = b3t + bt + bt + b Χρησιμοποιώντας μια διανυσματική μορφή, η πρώτη η εξίσωση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής: x( t) = [ t 3 t t a3 a ] a a Χρησιμοποιώντας μια διανυσματική μορφή η εξίσωση () μετατρέπεται σε: x( t) = T. A (3) y( t) = T. B Όπου τα Τ, Α και Β είναι διανύσματα. () 53

87Methods of graphing curves in CAD systems in the knitting industry Derivatives of the curve with respect to t can be expressed as follows: [ ] [ ]B t t t y A t t t x. 3 ) (. 3 ) ( ' ' = = (4) For the definition of cubic curve requires 3 points, two endpoints and a center, and a tangent vector at the center.Let the points P, P define the endpoints .mean and T the tangent at point P. A parametric curve can be defined as follows: M Y T t y X M T t x. . ) (.. ) ( = = (5) Using the first equation, the full formula is obtained as: = ' ] [ ) ( x x x x t t t t t x (6) The product of multiplying T by M is called the basis (or mixing) functions: 4 4 ) ( 6 4 ) ( 4 4 ) ( ) ( = + = + = + + = t t f t t t t t t f t t t t f (7) Basis functions are called weight functions for points P, P, P and tangent T because they determine how these points affect the curve. The curve will be represented as follows: 4 ' 3 4 ' 3 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( y t f y t f y t f y t f t y x t f x t f x t f x t f t x = = (8) B. Bezier curves The Bezier curve in its most common form is simple. cubic equation in many useful ways. It was originally developed by Pierre Bezier for CAD/CAM operations. Bezier curves are also a variant of parametric cubic curves defined by four control points P, P, P, P3. The expression for the matrix corresponding to formula (6) is: = Mb (9) The basic Bezier functions are as follows: ) ( 3 3 ) ( ) ( 3 3 ) ( t t f t t t f t t t f t t t t f = + = + = + = () Alternatively, the basic functions are: ) ( ) ( 3 ) ( ) ( 3 ) ( ) ( ) ( t f t t t f t t f t t f = = = = () The Bezier curve is given in parametric form: = = m i i m i P t t C t P m ) ( ) ( () For better graphical interpretation , let's convert this formula as: m m m i i m i i o m P t P t t C P t t P m + + = ) ( ) ( ) ( (3) C. B-spline B-spline is a spline function (di-polynomial function) equal to zero in all subsets except of the interval [m, m+] ([5],[6]). + ), (,, ) (, i i i i x x x x x x x N (4) B-spline of degree m in [ x i, x i+m+ ] can be represented as: ) ( ) ( ) (,,, x N x x x x N x x x x x N m i i m i m i m i i m i m i = (5) Quadratic and cubic B-splines are normally used. If the B-spline spline can be of higher order, nearly cubic B-splines are applied. B-splines cubic basic functions operate on four control points The basic functions are shown below (equation 9, ). Note that a separate basis function is required for the first and last two segments of the B-spline so that it passes through the first and last points. 54

88Elena IV. Zaharieva-Stoyanova Basic functions for the first section are: 3 B ( t) = ( t) 3 9 B ( t) = t t + 3t 3 3 B3 ( t) = t + t 3 t B4 ( t) = 6 ( 6 ) The basis functions for the second section are: 3 ( t) B ( t) = t 7 B ( t) = t t B3 ( t) = t + t + t t B4 ( t) = 6 The basis functions for the middle segments are: 3 ( t ) B ( t) = 4 3 B ( t) = t t B3 ( t) = t + t + t t B4 ( t) = 6 (7) (8) Fig.. Creating a curve for forming sleeves in a knitting pattern using control points It also creates a function that creates a Bezier curve using control points. These functions apply to the design of the knitting pattern. Fig. and are examples of their application. III. CURVE CREATING FUNCTION Using the formula given in the previous section, some curve creating functions are created. Some of them have already been presented in [7], [8]. This paper provides their development and the creation of some new functions. The following function creates a Bezier curve using 3 control points: void CBezierCurvesView::BezierCurves3(CDC *pdc, CPPoint *P) { double t, dt, x, y; double dx=, dy=; pdc->moveto(p[]); dt=.; t=? int i = ; while (t<=) { x=pow((-t),3)*p[].x+3*pow((-t),)*t*p[].x+3*t*t* (- t)*p[].x+t*t*t*p[3].x; y=pow((-t),3)*p[].y+3*pow((-t),)*t*p[].y+3*t*t*(- t)*p[ ].y+t*t*t*p[3].y; pdc->lineto(cpoint((long)x,(long)y)); t+=dt; }} Image. Creating a curve to shape a sleeve in a knitting pattern using 3 control points The following function is created to create a Bezier curve from n control points: void CBezierCurvesView::BezierCurvesDraw(CDC *pdc) { double t, dt , x, y? double C, xk, yk; int me? pdc->moveto(p[]); dt=.; t=? while (t<=) { xk=; yk=? for (int i=; i

89Methods of graphic display of curves in CAD systems in the knitting industry x=pow((-t),n)*p[].x + xk + pow(t,n)*p[n].x; y=pow((-t),n)*p[].y + yk + pow(t,n)*p[n].y; pdc->lineto(cpoint((long)x,(long)y)); t+=dt; } } This function can be applied to create a knitting pattern curve, but it has the disadvantage that the curve does not pass through the control points. To avoid this, the curve creation function divides the control points into several groups and simultaneously applies the previous function. The result is shown in Figure 3. IV. CONCLUSION This paper deals with problems related to the generation of curves and their application in the industry of knitted CAD/CAM systems. The methods can be applied to create a curve in the pattern design of a knitting item. The most commonly used methods are presented, especially the generation of the parametric cubic curve, the generation of the Bezier curve and the B-spline method. The paper explores some methods for curve generation. Some functions are created to create a curve. Their application is part of the CAD system for designing knitting patterns. The development of curve generation functions is closely related to the knitting pattern shape accuracy algorithm proposed in []. The project was implemented as an application in MS Visual C++ 6. using MFC. REFERENCES [] Zaharieva E., J. Angelova, Methodics of Fully Fashioned Knitting on Cotton, Textil & Obleklo, 5/998, pp [] Angelova, J., E. Zaharieva-Stoyanova, Shape Precision at Set Outline Knitting, Scientific Conference EMF 5, -4. September 5, Varna, p. Figure 3. Creating a curve for shaping a sleeve in a knitting pattern using the Bezier method A function for creating a curve using the B-spline method has also been created. It uses equation 5, 6, 7. The result of its application is shown in Figure 4. [3] Rakova R., Hr. Petrov, Methods for generating fabric sample curves by polynomial interpolation, Textil & Obleklo, - /. [4] Brourke P., Bézier curves, December 996. [5] Lukipudis E., Computer graphics and geometric modeling, Sofia, Technika, 996. [6] Pavlidis T., Algorithms for processing graphics and images, Bell laboratories, Computer Science Press, 98. [7] Zaharieva-Stoyanova E., Application of Bezier curves in CAD/CAM systems of the knitting industry, International Conference ICEST'5, , Niš, Serbia and Montenegro, p [8] Zaharieva-Stoyanova E., Application of Spline Functions in Knitting Products Graphic Design, International Scientific Conference UNITECH 5, 4.-5. November 5, Gabrovo, p. I-73 I-76. [9] Zaharieva-Stoyanova E., Algorithm for computer-aided design, curve, shape, generation of knitting patterns, International Scientific Conference on Automation, Quality and Testing, Robots, AQTR 6 (THETA5), 5-8. May 6, Cluj-Napoka, Romania, p TI Figure 4. Knitted pattern created using the B-slpine curve cube 56

90Επέκταση γνωστικού μοντέλου για HCI Nebojša D. Đorđević και Dejan D. Rančić Περίληψη Αυτή η εργασία παρουσιάζει ερευνητικά αποτελέσματα σχετικά με τις μεθοδολογίες Αλληλεπίδρασης Ανθρώπινου Υπολογιστή (HCI). Παρουσιάζουμε μια επέκταση του γνωστικού μοντέλου για HCI - (XUAN/t), που βασίζεται στην αποσύνθεση του διαλόγου των χρηστών σε στοιχειώδεις ενέργειες (GOMS). Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, οι περιγραφές των στοιχειωδών ενεργειών που εκτελούνται από τον χρήστη και το σύστημα εισάγονται διαδοχικά, όπως θα συμβεί. Με βάση το περιγραφόμενο μοντέλο και τις ψυχομετρικές έννοιες, αναπτύξαμε ένα εργαλείο λογισμικού για τον έλεγχο των αισθητηριοκινητικών ικανοτήτων ενός χρήστη σε HCI. Το εργαλείο λογισμικού ταξινομεί τις δοκιμές σε ομάδες δοκιμών για ψυχοαισθητικοκινητικές ικανότητες και ικανότητες μνήμης. Τα αποτελέσματα των δοκιμών χρήστη αποθηκεύονται επίμονα σε μια βάση δεδομένων και είναι διαθέσιμα για περαιτέρω στατιστική ανάλυση. Λέξεις-κλειδιά HCI, Διεπαφή χρήστη. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ερευνητικά αποτελέσματα των τελευταίων ετών υποδεικνύουν σημαντική επίδραση της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή (HCI) στην ανάπτυξη συστημάτων υπολογιστών, η οποία, σε συνδυασμό με την τεχνολογική ανάπτυξη, επέτρεψε την εφαρμογή τους σχεδόν σε κάθε κλάδο της ανθρώπινης δραστηριότητας. Το HCI μπορεί να οριστεί ως ένα αρχείο μελέτης που σχετίζεται με το σχεδιασμό, την αξιολόγηση και την εφαρμογή διαδραστικών συστημάτων υπολογιστών που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο, το οποίο περιλαμβάνει επίσης έρευνα των κύριων φαινομένων που το περιβάλλουν []. Η πολυεπιστημονική φύση της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή απαιτεί συμβολή από διαφορετικούς επιστημονικούς κλάδους. ειδικά από την επιστήμη των υπολογιστών, τη γνωστική ψυχολογία, την κοινωνική και οργανωτική ψυχολογία, την εργονομία και τους ανθρώπινους παράγοντες, τον σχεδιασμό και τη μηχανική με τη βοήθεια υπολογιστή, την τεχνητή νοημοσύνη, τη γλωσσολογία, τη φιλοσοφία, την κοινωνιολογία και την ανθρωπολογία. Κύριος στόχος του HCI είναι να βελτιώσει την αλληλεπίδραση μεταξύ του χρήστη και του υπολογιστή προκειμένου να καταστήσει τους υπολογιστές πιο φιλικούς προς το χρήστη και τα σχεδιασμένα συστήματα πιο χρηστικά. Ο προσδιορισμός του βαθμού χρηστικότητας είναι μια διαδικασία κατά την οποία τα συστήματα αξιολογούνται προκειμένου να προσδιοριστεί η επιτυχία του προϊόντος χρησιμοποιώντας μεθόδους που είναι διαθέσιμες στον αξιολογητή. II. ΔΙΑΠΡΑΞΗ ΧΡΗΣΤΗ Το πιο σημαντικό στοιχείο στο HCI είναι η διεπαφή χρήστη. Ο χρήστης διατυπώνει τα αιτήματά του στο σύστημα μέσω διαλόγου με τον κ. Nebojša D. Đorđević είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Σερβία, Ο Dr Dejan D. Rančić είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών , Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Σερβία, διεπαφή Η διεπαφή είναι το σημείο στο οποίο εμφανίζεται η αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή. Η φυσική αλληλεπίδραση με τον τελικό χρήστη παρέχεται χρησιμοποιώντας στοιχεία διασύνδεσης υλικού (συσκευές εισόδου και εξόδου) και λογισμικού. Η διεπαφή χρήστη (UI), ως μέσο αλληλεπίδρασης του συστήματος, αντιπροσωπεύει το στοιχείο λογισμικού της εφαρμογής που μετατρέπει τις ενέργειες χρήστη σε ένα ή περισσότερα αιτήματα στο λειτουργικό στοιχείο εφαρμογής και το οποίο παρέχει στον χρήστη ανατροφοδότηση σχετικά με τα αποτελέσματα των ενεργειών του [] . Οι βασικές έννοιες των γραφικών διεπαφών καθιερώθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '70. Βασίστηκαν στη μεταφορά WIMP, η οποία περιλαμβάνει βασικά στοιχεία της διεπαφής: Παράθυρο, Εικονίδιο, Μενού και Δείκτη. Ο άμεσος χειρισμός γραφικών αντικειμένων παρέχει χειρισμό αντικειμένων στην οθόνη του υπολογιστή μέσω συσκευών κατάδειξης ως τυπικές συσκευές εισόδου των σύγχρονων συστημάτων υπολογιστών. III. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ HCI Η σημασία των αλληλεπιδράσεων ανθρώπου-υπολογιστή έγινε αντιληπτή στα τέλη της δεκαετίας του '70. Το 98 αυτό προκάλεσε την ανάπτυξη μιας ανεξάρτητης ερευνητικής ομάδας, η οποία είχε, το 99, σχηματίσει την HCI ως ειδικό κλάδο. Αντικείμενο της έρευνας της HCI είναι ο άνθρωπος και οτιδήποτε σχετίζεται με έναν άνθρωπο: εργασία, περιβάλλον και τεχνολογία. Η ταξινόμηση των μεθοδολογιών HCI έγινε με βάση τη μέθοδο με την οποία ο τελικός χρήστης ενσωματώνεται στην ανάπτυξη συστήματος [3]: Ανάπτυξη με επίκεντρο το χρήστη - παρέχει ανάπτυξη συστήματος ΓΙΑ τον χρήστη με βάση τις πληροφορίες ανατροφοδότησης από τον χρήστη κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας ανάπτυξης συστήματος. Ανάπτυξη συστήματος ΜΕ τους χρήστες ανάπτυξη της συμμετοχής των χρηστών που προάγει την ανάπτυξη συστήματος σε περιβάλλον χρήστη (κατασκευαστικές εγκαταστάσεις, γραφεία κ.λπ.) και όχι σε εταιρείες λογισμικού. Ανάπτυξη συστήματος με βάση τη συνεκτίμηση του χρήστη - αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί γνωστική μοντελοποίηση των τελικών χρηστών προκειμένου να κατανοήσει τη συμπεριφορά των χρηστών σε μια συγκεκριμένη κατάσταση και γιατί το ένα σύστημα είναι καλύτερο από το άλλο. IV. ΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ HCI Η γνωστική μοντελοποίηση παρέχει μια περιγραφή του χρήστη σε αλληλεπίδραση με το σύστημα υπολογιστή. Παρέχει ένα μοντέλο γνώσης, κατανόησης, προθέσεων και νοητικής επεξεργασίας του χρήστη. Το επίπεδο περιγραφής διαφέρει από την τεχνική στο 57

91Επέκταση γνωστικού μοντέλου για την τεχνική HCI και κυμαίνεται από στόχους και αποτελέσματα υψηλού επιπέδου σχετικά με τη σκέψη για ένα πρόβλημα μέχρι το επίπεδο των κινητικών δραστηριοτήτων του χρήστη, όπως το πάτημα ενός πλήκτρου σε ένα πληκτρολόγιο ή ένα κλικ του ποντικιού. Η έρευνα αυτών των τεχνικών γίνεται από ψυχολόγους, καθώς και ειδικούς της πληροφορικής. Η ταξινόμηση των γνωστικών μοντέλων βασίζεται στο εάν η εστίαση είναι στον χρήστη και την εργασία του ή στη μετατροπή της εργασίας σε γλώσσα αλληλεπίδρασης []: Ιεραρχική παρουσίαση των εργασιών και των στόχων του χρήστη (GOMS). Γλωσσικά και γραμματικά επίπεδα. Μοντέλα φυσικού επιπέδου. Το μοντέλο GOMS (Goals, Operators, Methods and Selection) [4] αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: Οι στόχοι είναι αποτελέσματα της εργασίας του χρήστη και περιγράφουν αυτό που ο χρήστης προσπαθεί να επιτύχει. Οι χειριστές είναι βασικές ενέργειες που πρέπει να κάνει ο χρήστης όταν εργάζεται με ένα σύστημα υπολογιστή. Οι χειριστές μπορούν να ενεργούν σε ένα σύστημα (πατώντας ένα πλήκτρο) ή στην ψυχική κατάσταση του χρήστη (διαβάζοντας ένα μήνυμα). Το επίπεδο λεπτομέρειας των χειριστών είναι ευέλικτο και ποικίλλει ανάλογα με την εργασία, τον χρήστη και τον σχεδιαστή. Οι μέθοδοι είναι ακολουθίες βημάτων που πρέπει να εκτελεστούν για να επιτευχθεί ένας δεδομένος στόχος. Ένα βήμα στη μέθοδο αποτελείται από τελεστές. Οι κανόνες επιλογής παρέχουν πρόβλεψη σχετικά με τη μέθοδο που θα χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη ενός δεδομένου στόχου σε περίπτωση που υπάρχουν διαφορετικές πιθανές μέθοδοι για την επίτευξη του στόχου. Τα μοντέλα του φυσικού επιπέδου σχετίζονται με τις ανθρώπινες κινητικές δεξιότητες και περιγράφουν τους στόχους του χρήστη που μπορούν να πραγματοποιηθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ένα παράδειγμα είναι το μοντέλο KLM (Keystroke-Level Model) [5] που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της απόδοσης του χρήστη με μια δεδομένη διεπαφή. Σε αυτή τη λειτουργία, η εργασία για την επίτευξη ενός στόχου δίνεται σε δύο στάδια: Απόκτηση εργασιών, κατά την οποία ο χρήστης δημιουργεί μια νοητική εικόνα του τρόπου επίτευξης ενός δεδομένου στόχου και απόδοση εργασίας χρησιμοποιώντας το σύστημα. Η απόκτηση εργασιών συνδέει στενά το KLM με το επίπεδο GOMS, το οποίο παρέχει μια επισκόπηση των εργασιών για έναν δεδομένο στόχο. Το KLM αποσυνθέτει τη φάση της εκτέλεσης της εργασίας σε πέντε διαφορετικούς φυσικούς τελεστές (πάτημα ενός πλήκτρου σε ένα πληκτρολόγιο, πάτημα κουμπιού ποντικιού, μετακίνηση του δρομέα στην επιθυμητή θέση, μετακίνηση ενός χεριού από πληκτρολόγιο σε ποντίκι και αντίστροφη, και σχεδίαση γραμμών με το ποντίκι) , ένας νοητικός χειριστής (διανοητική προετοιμασία του χρήστη για σωματική δράση) και ένας χειριστής απόκρισης συστήματος (ο χρήστης μπορεί να αγνοήσει αυτόν τον τελεστή εκτός και αν χρειαστεί να περιμένει την απόκριση του συστήματος). Σε κάθε χειριστή δίνεται μια χρονική περίοδος για τη δράση του. Αθροίζοντας αυτές τις χρονικές περιόδους παίρνουμε τον εκτιμώμενο χρόνο για την ολοκλήρωση αυτών των εργασιών για έναν δεδομένο στόχο. Η ακρίβεια του μοντέλου KLM εξαρτάται από την εμπειρία του σχεδιαστή, επειδή απαιτείται να λάβει μια ρεαλιστική απόφαση σχετικά με τις ικανότητες του τελικού χρήστη. Προφανώς, η ανάπτυξη υψηλής ποιότητας διεπαφής χρήστη είναι αδύνατη χωρίς γνωστικά μοντέλα και τεχνικές. Στην πρακτική της HCI δεν υπάρχει χωριστή γνωστική μεθοδολογία. Μάλλον, ορισμένα γνωστικά μοντέλα και τεχνικές χρησιμοποιούνται σε άλλες μεθοδολογίες, συνήθως κατά την αξιολόγηση. Τα γνωστικά μοντέλα και οι τεχνικές συμβάλλουν σημαντικά στον προσδιορισμό (εξορθολογισμό) του πόσο αποδεκτή είναι η σχεδιασμένη λύση. V. ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ Τα μοντέλα αλληλεπίδρασης είναι περιγραφές εισόδων χρήστη, ενεργειών εφαρμογής και εμφανίσεων αποτελεσμάτων. Τα μοντέλα αλληλεπίδρασης βασίζονται σε φορμαλισμούς που διασφαλίζουν την εφαρμογή τους στα εργαλεία ανάπτυξης διεπαφής. Ένα από τα παλαιότερα και πιο γενικά μοντέλα αλληλεπίδρασης είναι το μοντέλο PIE [] που περιγράφει τις εισόδους χρήστη (από το πληκτρολόγιο ή το ποντίκι) και την έξοδο σε χρήστη (σε οθόνη ή εκτυπωτή). Το μοντέλο UAN (User Action Model) [6] αναπτύχθηκε από σχεδιαστές συστημάτων προκειμένου να κατανοηθεί η πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων σε σχέση με το σύστημα και όχι με τον χρήστη. Το μοντέλο UAN περιγράφει αποτελεσματικά (και προσδιορίζει) τέσσερα στοιχεία αλληλεπίδρασης με τρόπο κατανοητό από όλους τους συμμετέχοντες στην ανάπτυξη λογισμικού. Επίσης, δεν κάνει διαφοροποίηση μεταξύ κειμένου και γραφικών διεπαφών, υποστηρίζοντας έτσι κάθε τεχνική αλληλεπίδρασης. Ένα μειονέκτημα αυτού του μοντέλου είναι η προσέγγισή του στις αλληλεπιδράσεις λαμβάνοντας υπόψη μόνο το σύστημα, χωρίς να λαμβάνει υπόψη τον άλλο συμμετέχοντα, τον άνθρωπο. Αυτό το πρόβλημα ξεπεράστηκε στο μοντέλο XUAN (Extended User Action Notation), το οποίο αντιμετωπίζει εξίσου τόσο το σύστημα όσο και τον χρήστη. Το μοντέλο XUAN αντιμετωπίζει τον χρήστη και το σύστημα όσον αφορά τις ορατές, σε περίπτωση αρθρώσεων του χρήστη, εσωτερικές τους ενέργειες. Το πλεονέκτημα του μοντέλου XUAN είναι ότι περιλαμβάνει ανθρώπινη νοητική δράση. Το μειονέκτημά του είναι η εξαίρεση της κατάστασης της διεπαφής, η οποία μπορεί να οδηγήσει στην ασυνέπειά της. VI. ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ XUAN Προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση του χρήστη όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικά, επεκτείνουμε τα αναφερόμενα μοντέλα αλληλεπίδρασης (UAN, XUAN). Το εκτεταμένο μοντέλο (XUAN/t εκτεταμένη ειδοποίηση ενεργειών χρήστη ανά φορά) αντιμετωπίζει εξίσου την πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων, τόσο από το σύστημα όσο και από τον χρήστη. Αυτό το μοντέλο δίνεται σε μορφή πίνακα (Εικ. ) που χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιέχει δύο σειρές στις οποίες δίνονται περιγραφές νοητικών ή αισθητηριακών και αρθρωμένων ή κινητικών δραστηριοτήτων του χρήστη. Το δεύτερο μέρος περιέχει τρεις σειρές στις οποίες δίνονται περιγραφές διεπαφής (ορατές ενέργειες και συνθήκες διεπαφής) και ενέργειες εσωτερικού συστήματος (πυρήνας). Η διαχωριστική γραμμή που χωρίζει αυτά τα δύο μέρη επισημαίνεται με κόκκινο γιατί αντιπροσωπεύει ένα σημείο στο οποίο συμβαίνει η αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή και αντιπροσωπεύει επίσης μια χρονική κλίμακα. Εκτός από την παροχή περιγραφών, οι δραστηριότητες παρουσιάζονται γραφικά στη χρονική κλίμακα σε αναλογία με τη χρονική διάρκεια. Η γραφική παρουσίαση παρέχει επίσης οπτική ερμηνεία της θέσης, της σειράς και της διάρκειας των δραστηριοτήτων. Προκειμένου να εκτιμηθεί αποτελεσματικά ο αριθμός των ενεργειών και η χρονική διάρκεια ολόκληρης της εργασίας, ένας σύνθετος διάλογος αποσυντίθεται σε στοιχειώδεις ενέργειες χρησιμοποιώντας το μοντέλο GOMS. Περιγραφές στοιχειωδών ενεργειών από τον χρήστη και από το 58

92Το σύστημα Nebojša D. Đorđević και Dejan D. Rančić εισάγονται διαδοχικά κατά σειρά εμφάνισης. Σε κάθε δραστηριότητα δίνεται ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωσή της. Νοητικές ή αισθητηριακές δραστηριότητες ΧΡΗΣΤΗΣ Αρθρωτές ή κινητικές δραστηριότητες ΔΙΑΠΡΑΞΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΠΥΡΗΝΑ Ορατή ενέργεια Συνθήκες διεπαφής Εσωτερικές ενέργειες συστήματος t Εντοπισμός κουμπιού t t 3 t 4 Ακολουθήστε τον δρομέα του ποντικιού Επιλέγεται το κουμπί Μετακίνηση του δρομέα του ποντικιού στο κουμπί Πατήστε το κουμπί του ποντικιού Εκτέλεση δράσης κουμπιού Απελευθερώστε το κουμπί του ποντικιού Απελευθερώστε το κουμπί εστίασης εστίαση στο κουμπί t 5 Έναρξη ορισμένων φυσιολογικών διεργασιών σε νευρικά κύτταρα των αισθητηρίων οργάνων, Μετάδοση νευρικής διέγερσης από νευρώνες στην κύρια ζώνη αισθητήρα στον φλοιό, Έναρξη ψυχολογικής απόκρισης που επιτρέπει στον άνθρωπο να συνειδητοποιήσει τα ερεθίσματα που ενεργούν στο αισθητήριο όργανο. Για να διατυπώσει τις απαιτήσεις του, ο χρήστης χρησιμοποιεί ορισμένα στοιχεία αλληλεπίδρασης της διεπαφής χρήστη (υλισμικό και λογισμικό) που επιτρέπουν τη φυσική του αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή. Στη φυσική αλληλεπίδραση με τη συσκευή υλικού, ο χρήστης κάνει μια εθελοντική δραστηριότητα που συντονίζεται με τις οπτικές αισθήσεις (από την κύρια αισθητήρια ζώνη) και τις κιναισθητικές αισθήσεις (από τον κινητικό φλοιό). Οι κιναισθητικές αισθήσεις παρέχουν μυϊκό συντονισμό και ανάπτυξη δεξιοτήτων για την εκτέλεση διαφορετικών πολύπλοκων κινήσεων κατά την εργασία. Η ταξινόμηση σε αισθητηριακές, διανοητικές και κινητικές δραστηριότητες είναι προσωρινή, επειδή αναμιγνύονται κατά την εκτέλεση της εργασίας. Προκειμένου να διερευνήσουμε τις αισθητηριοκινητικές ικανότητες, με βάση το περιγραφόμενο μοντέλο και τις ψυχομετρικές έννοιες, αναπτύξαμε το λογισμικό CASE εργαλείο για την αξιολόγηση των ανθρώπινων γνωστικών χαρακτηριστικών σε αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή. Εικ.. Μοντέλο XUAN/t ενός πεδίου κλικ σε ένα πρόγραμμα της διεπαφής Ο εκτιμώμενος χρόνος προσδιορίζεται αθροίζοντας τους χρόνους που απαιτούνται για μεμονωμένες δραστηριότητες (βλ. Εξίσωση ). Με αυτόν τον τρόπο, το προτεινόμενο μοντέλο παρέχει ερμηνεία περιγραφών ενεργειών με εμπειρικές μεταβλητές που μπορούν να αξιολογηθούν. T = n t k k= () Σε αυτό το μοντέλο η συνιστώσα χρόνου βασίζεται στη διάρκεια των μεμονωμένων στοιχειωδών ενεργειών. περιορίζεται από δεδομένα γεγονότα ως σημεία αναφοράς. Αυτά τα συμβάντα ξεκινούν από τον χρήστη, αλλά συμβαίνουν στο σύστημα. Το σύστημα μπορεί να τα καταχωρήσει με ακρίβεια για να καθορίσει την αρχή και το τέλος της δραστηριότητας. Αυτό το μοντέλο είναι διαισθητικό και μπορεί εύκολα να υποστηριχθεί με διαθέσιμα εργαλεία λογισμικού. Εικ.. Έντυπο εισαγωγής περιγραφής χρήστη VII. ΔΟΚΙΜΗ ΓΝΩΣΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ Η αξιολόγηση των γνωστικών χαρακτηριστικών του χρήστη γίνεται με τεστ που έχουν σχεδιαστεί για την αξιολόγηση ορισμένων χαρακτηριστικών και την απόκτηση του προφίλ χρήστη. Η κατασκευή δοκιμής βασίζεται στην αναγνώριση των δραστηριοτήτων στην αλληλεπίδραση χρήστη-υπολογιστή, στα εξέχοντα χαρακτηριστικά χρήστη και στη μέθοδο μέτρησης των μεμονωμένων αποτελεσμάτων παραγωγής. Υπάρχουν πολλά βήματα κατά τη διάρκεια του διαλόγου χρήστη-υπολογιστή τα οποία ομαδοποιήσαμε σε αισθητηριακές, διανοητικές και αρθρωτικές δραστηριότητες. Στο πλαίσιο των αισθητηριακών δραστηριοτήτων, απομονώσαμε τις διαδικασίες κατά τις οποίες ο άνθρωπος αποκτά γνώση για φαινόμενα και γεγονότα γύρω του, όπως: Επίδραση φυσικών και χημικών διεργασιών από το περιβάλλον στις ανθρώπινες αισθήσεις, Εικ. 3. Έντυπο για τον προσδιορισμό της λίστας των δοκιμών και τον καθορισμό γενικές και ειδικές συνθήκες δοκιμής Το εργαλείο λογισμικού παρέχει δεδομένα αναγνώρισης χρήστη και χαρακτηριστικά χρήστη (Εικ. ), προσδιορίζοντας μια λίστα δοκιμής και ορίζοντας γενικές και ειδικές συνθήκες δοκιμής (Εικ. 3). Για να ελέγξετε όλα τα θέματα υπό τις ίδιες συνθήκες, είναι απαραίτητο να ορίσετε γενικές συνθήκες (ανάλυση οθόνης, ταχύτητα ποντικιού, κ.λπ.) και να καθορίσετε συγκεκριμένες συνθήκες του μικροπεριβάλλοντος (θόρυβος, φως, θερμοκρασία κ.λπ.). Στην αρχή κάθε εξεταζόμενου δίνεται μια δοκιμαστική εργασία. Κατά τη διάρκεια του 59

93Επέκταση γνωστικού μοντέλου για δοκιμές HCI, τα τεστ δίνονται με προκαθορισμένη σειρά και σε σχεδιασμένα χρονικά όρια. Η δοκιμή εξαρτάται από την επιλογή των δοκιμών που δίνονται στη λίστα. Οι ομάδες δοκιμών που σχετίζονται με τη λήψη, την επεξεργασία πληροφοριών και τις κινητικές δραστηριότητες περιλαμβάνουν τεστ μνήμης, αισθητηριακών και ψυχοκινητικών ικανοτήτων. Ο στόχος των τεστ αισθητηριακής ικανότητας (αντίληψη) είναι να προσδιοριστούν οι χρόνοι αντίδρασης των υποκειμένων σε ακουστικά και οπτικά ερεθίσματα. Δοκιμάζονται οι ικανότητες του υποκειμένου στους τομείς της όρασης, της ακοής και των κιναισθητικών αισθήσεων. Το τεστ διαρκεί δευτερόλεπτα, κατά τη διάρκεια του οποίου το άτομο παρουσιάζεται με σειρά στοχαστικών οπτικών και ακουστικών ερεθισμάτων. Η αποστολή του υποκειμένου είναι να αντιδράσει όσο το δυνατόν γρηγορότερα πατώντας ένα συγκεκριμένο πλήκτρο (ΦΩΤΙΣΤΟΣ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ, ΚΟΥΔΟΥΣΙΟΣ- ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ), με το οποίο επιβεβαιώνει την καταχώριση του ελεγχόμενου ερεθίσματος. Το σύστημα καταγράφει το χρονικό διάλειμμα μεταξύ της παροχής του ερεθίσματος και της απόκρισης του υποκειμένου, ως παράμετρος αξιολόγησης. Ο στόχος των ψυχοκινητικών δοκιμών είναι να προσδιοριστεί η ακρίβεια στη χειραγώγηση αντικειμένων, ο ψυχοκινητικός προσανατολισμός, ο χρόνος αντίδρασης, η ικανότητα χειρισμού και η ικανότητα να γίνονται οπτικοκινητικές εικασίες. Η πρώτη ομάδα δοκιμών, που ονομάζεται CLICK-A-FIELD, στοχεύει στην ανίχνευση του ψυχοκινητικού προσανατολισμού, της οπτικοκινητικής ικανότητας εικασίας και του συντονισμένου χειρισμού των εργαλείων αλληλεπίδρασης χρήστη-υπολογιστή, του συντονισμού μεμονωμένων αισθήσεων και μερών του σώματος. Οι δοκιμές διαρκούν δευτερόλεπτα και η αποστολή του υποκειμένου είναι να κάνει κλικ σε ένα πεδίο (cm) το οποίο κυκλικά, χρησιμοποιώντας τη γεννήτρια τυχαίων συντεταγμένων, εμφανίζεται στην οθόνη. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, το σύστημα καταγράφει on-line συνεχώς χρόνους που σχετίζονται με ορισμένα συμβάντα (PRESS-MOUSE-BUTTON, RELEASE-MOUSE-BUTTON) και τους συνδέει στη βάση δεδομένων με τον χρήστη και τη δοκιμή. Μετά το συμβάν, το πεδίο RELEASE-MOUSE-BUTTON διαγράφεται από την οθόνη και εμφανίζεται σε νέες τυχαία δημιουργημένες συντεταγμένες. Για να προσδιορίσουμε την επίδραση διαφορετικών παραγόντων στα ψυχοκινητικά χαρακτηριστικά του χρήστη αναπτύξαμε τέσσερα διαφορετικά τεστ. Ωστόσο, οι στόχοι αυτών των δοκιμών είναι οι ίδιοι: το πεδίο PM στη διεπαφή είναι πιο σκούρο γκρι από το φόντο, το πεδίο PM επισημαίνεται με κόκκινο χρώμα στη διεπαφή, στη δοκιμή PM 3 το πεδίο είναι 3 cm στη διεπαφή, στο PM 4 Δοκιμή μετά το συμβάν RELEASE-MOUSE-BUTTON δίνεται ένας ήχος μπιπ για την παροχή ακουστικού ερεθίσματος. Για τον προσδιορισμό της ακρίβειας και της ικανότητας γρήγορου, εύκολου, σωστού και συντονισμένου χειρισμού οπτικών αντικειμένων με τεχνική αλληλεπίδρασης σύρματος αντικειμένων στην οθόνη, αναπτύξαμε τη δοκιμή PM 5 (το λεγόμενο DRAG-ME ). Η δοκιμή διαρκεί δευτερόλεπτα και η αποστολή του υποκειμένου είναι να κάνει κλικ σε ένα κόκκινο ορθογώνιο αντικείμενο στην οθόνη και να το σύρει σε ένα ορθογώνιο παράθυρο με μπλε περιγράμματα. Μετά από κάθε προσπάθεια το αντικείμενο στην οθόνη εμφανίζεται σε διαφορετική τυχαία δημιουργημένη συντεταγμένη. Το σύστημα καταγράφει on-line επιτυχημένες προσπάθειες. Ο κύριος στόχος των δοκιμών μνήμης (TM) είναι η διερεύνηση του εύρους μνήμης μέσω της δυνατότητας άμεσης αναπαραγωγής μιας σειράς στοιχείων μετά από μία μόνο προβολή της σειράς. Αυτή η δοκιμή δεν είναι χρονικά περιορισμένη. διαρκεί μέχρι να γίνει η πρώτη ανεπιτυχής αναπαραγωγή. Το θέμα παρουσιάζεται, σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, με μια σειρά από τυχαία δημιουργούμενα αριθμητικά πρόσημα δεδομένου μήκους. Ο χρόνος παρουσίασης της σειράς είναι αντιστρόφως ανάλογος με τη διάρκεια της σειράς. Η αποστολή του υποκειμένου είναι να αναπαράγει ολόκληρη τη σειρά με επιτυχία. Αυτό το βήμα επαναλαμβάνεται με κάθε σειρά ένα πρόσημο περισσότερο. Αναπτύξαμε επίσης δύο ακόμη δοκιμές με το ίδιο σενάριο με το TM, με μια διαφορά: οι σειρές που δημιουργούνται από TM αποτελούνται από σήματα γραμμάτων και στο TM 3 οι σειρές γίνονται με αλφαριθμητικά σημάδια. Το σύστημα καταγράφει το μεγαλύτερο μήκος των επιτυχώς αναπαραγόμενων σειρών ως παράμετρο εύρους μνήμης. VIII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση του χρήστη σε αλληλεπίδραση με τη διεπαφή, επεκτείνουμε τις έννοιες των υπαρχόντων μοντέλων αλληλεπίδρασης. Με βάση το περιγραφόμενο μοντέλο και τις ψυχομετρικές έννοιες αναπτύξαμε ένα εργαλείο λογισμικού για τον έλεγχο των αισθητηριοκινητικών ικανοτήτων του χρήστη στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή. Η έννοια της δοκιμής επιτρέπει τη δοκιμή της ομάδας πρόθεσης βάσει προγράμματος και ποσοτικοποιεί με ακρίβεια την απόδοση του χρήστη. Σε αυτή τη μελέτη αποκτήσαμε ένα αποτελεσματικό εργαλείο για τη δημιουργία προφίλ χρηστών. Η διαφοροποίηση των χρηστών δοκιμής χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συμβατότητας μεμονωμένων μοντέλων αλληλεπίδρασης με δεδομένες ομάδες πρόθεσης. Η ποιοτική ανάλυση αποτελεσμάτων παρέχει συστάσεις για το σχεδιασμό μεμονωμένων τμημάτων διεπαφής που είναι χρήσιμα για την ομάδα προθέσεων για την οποία έχει σχεδιαστεί. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] A. Dix, J. Finlay, G. Abowd and R. Beale, Human-Computer Interaction, nd ed. Prentice Hall Europe, 998. [] B. A. Myers, and M. B. Rosson, Survey on user interface programming, In P. Bauersfeld, J.Bennett and G. Lynch, συντάκτες, CHI 9 Conference Proceedings on Human Factors in Computing Systems, σελ. 95 -, ACM Press, Νέα Υόρκη, 99. [3] J. Brown, HCI and Requirements Engineering - Exploring Human-Computer Interaction and Software Engineering Methodologies for the Creation of Interactive Software, SIGCHI Bulletin, vol. 9(), 997. [4] D. E. Kieras, and A. Arbor, Towards a Practical GOMS Model Methodology for User Interface Design, In M. Helander Handbook of Human-Computer Interaction, Elsevier Science Publishers B. V. (North Holland), pp. 35-, 988. [5] S. K. Card, T. P. Moran and A. Newell, The Keystroke-Level Model for user performance with interactive systems, Communications of the ACM, vol. 3, pp , 98. [6] M. D. Harrison and D. J. Duke, A review of formalisms for descripting interactive behaviour, In the Software Engineering and Human-Computer Interaction Notes in Computer Science, τομ. (896), Springer-Verlag, pp.

94Ανάλυση απόδοσης ενός αλγορίθμου ανίχνευσης υποβέλτιστων πολλαπλών χρηστών Ilia Georgiev Iliev και Marin Nedelchev Περίληψη Η εργασία παρουσιάζει μια έρευνα των δυνατοτήτων ενός αλγορίθμου για MUD, ο οποίος χρησιμοποιεί μια διακριτή διαδοχική αναζήτηση. Οι μη βέλτιστες μέθοδοι για MUD σε σύγχρονα συστήματα CDMA είναι προοπτικής κατηγορίας σε σύγκριση με τις βέλτιστες μεθόδους, λόγω του μειωμένου αριθμού υπολογισμών και της υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Ένας τύπος κλειστής μορφής προκύπτει για τον αριθμό των επαναλήψεων του αλγορίθμου για τη λήψη σταθερής πιθανότητας σφάλματος. Αυτό επιτρέπει την ορθολογική χρήση της υπολογιστικής ισχύος της μηχανής και τη μείωση του αριθμού των υπολογισμών σε MUD με αλγόριθμο διαδοχικής αναζήτησης. Λέξεις-κλειδιά Σύγχρονο CDMA, Ανίχνευση πολλαπλών χρηστών, Υποβέλτιστος αλγόριθμος. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το CDMA είναι μια αποτελεσματική μέθοδος πολλαπλής πρόσβασης που χρησιμοποιείται στις κινητές επικοινωνίες. Στα συστήματα CDMA πολλαπλοί χρήστες μεταδίδουν σήματα σε ένα και το ίδιο εύρος ζώνης ταυτόχρονα. Για να διαχωριστεί το λαμβανόμενο σήμα από έναν συγκεκριμένο χρήστη, απαιτείται η τήρηση ορισμένων συνθηκών. Στην πράξη δεν εκπληρώνονται. Κατά συνέπεια, τα σήματα από άλλους χρήστες γίνονται παρεμβολές MUI (πολλαπλών χρηστών παρεμβολές). Όπως είναι γνωστό σύμφωνα με τη θεωρία πληροφοριών, ο δέκτης συσχέτισης είναι βέλτιστος, όταν λείπει το MUI. Εάν υπάρχει MUI, μπορεί να θεωρηθεί ως θόρυβος με δικά του χαρακτηριστικά πιθανότητας και ενέργειας. Κατά συνέπεια, η ύπαρξη MUI θα μειώσει την απόδοση θορύβου όταν χρησιμοποιείται ένας κοινός δέκτης συσχέτισης. Για την ελαχιστοποίηση αυτού του μειονεκτήματος, χρησιμοποιείται η ανίχνευση πολλαπλών χρηστών (MUD). []. Το MUI μεταφέρει χρήσιμες πληροφορίες από τους άλλους χρήστες, οι οποίες μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία με τον κατάλληλο τρόπο για τη βελτίωση της ποιότητας των συστημάτων επικοινωνίας. Ο βέλτιστος δέκτης για MUD βασίζεται στο κριτήριο της Μέγιστης Πιθανότητας (ML) []. Η εκτίμηση της βέλτιστης απόφασης συνδέεται με την επαλήθευση όλων των πιθανών μεταδιδόμενων συνδυασμών συμβόλων. Επομένως, ο μεγάλος αριθμός υπολογισμών είναι το κύριο μειονέκτημα του ML MUD. Οι υπολογισμοί αυξάνονται εκθετικά με τους ενεργούς χρήστες. Αυτό περιπλέκει σοβαρά την εφαρμογή του στα συμβατικά συστήματα κινητής επικοινωνίας, ωστόσο η υψηλή ταχύτητα και η τεράστια υπολογιστική ισχύς των σύγχρονων επεξεργαστών ψηφιακού σήματος. Υπάρχουν πολλές προτάσεις μεθόδων και αλγορίθμων για υποβέλτιστη λήψη που μειώνουν τον Ilia Georgiev Iliev Assoc. Καθηγητής, Διδάκτωρ στο Τμήμα Ραδιοτεχνικής στη Σχολή Επικοινωνιών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας στο TU Sofia Marin Veselinov Nedelchev - Βοηθός, PhD στο Τμήμα Ραδιοτεχνικής στη Σχολή Επικοινωνιών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας TUSofiatune m. απαραίτητος αριθμός υπολογισμών για ανίχνευση Στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι συμβιβασμός μεταξύ της υπολογιστικής πολυπλοκότητας και της ποιότητας του δέκτη [,3]. Υπάρχει MUD με παραμετρική βελτιστοποίηση. Σε αυτήν την περίπτωση το κριτήριο Μέγιστης Α εκ των υστέρων Πιθανότητας (MAP) [] χρησιμοποιείται ως αντικειμενική συνάρτηση για βελτιστοποίηση. Στην περίπτωση MUD, η αντικειμενική συνάρτηση είναι διακριτή, ασυνεχής, μη διαφορική, μη μονοτροπική, επομένως οι καταλληλότερες μέθοδοι βελτιστοποίησης είναι η μέθοδος τυχαίας αναζήτησης, ο γενετικός αλγόριθμος, η Εξελικτική στρατηγική κ.λπ. [4,5,6]. Η εφαρμογή τους σε σύγκριση με τον βέλτιστο δέκτη με ML για MUD, μειώνει τον αριθμό υπολογισμού [6]. Η εργασία παρουσιάζει μια έρευνα των δυνατοτήτων ενός αλγορίθμου για MUD, ο οποίος χρησιμοποιεί μια διακριτή διαδοχική αναζήτηση. Το αρχικό σημείο εκκίνησης προκύπτει μετά από απλή ανίχνευση συσχέτισης. Τα ληφθέντα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση του αριθμού των απαγωγών επαναλήψεων φτάνει στη θεωρητική καμπύλη για πλήρη αντιστάθμιση του MUI ή της απλής ανίχνευσης. Ένας τύπος κλειστής μορφής προκύπτει για τον αριθμό των επαναλήψεων του αλγορίθμου για τη λήψη σταθερής πιθανότητας σφάλματος. Αυτό επιτρέπει την ορθολογική χρήση της υπολογιστικής ισχύος της μηχανής και τη μείωση του αριθμού των υπολογισμών σε MUD με αλγόριθμο διαδοχικής αναζήτησης. II. ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΛΑΣΠΗ ΣΕ ΣΥΓΧΡΟΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ CDMA Το μοντέλο συστήματος φαίνεται στην Εικ.. Η επεξεργασία του σήματος γίνεται στη ζώνη βάσης. Έστω ότι ο αριθμός του χρήστη είναι K. Μεταδίδουν σήματα διαμορφωμένα με PSK συγχρονικά άμεσου φάσματος (DSS). Το σήμα στην είσοδο του δέκτη κατά το διάστημα bit Т b είναι: K j k rt () = Edc k k () tαke θ + nt () (). k = r(t) αναπαρίσταται σε μια διακριτή μορφή μήτρας χρόνου ως: rt () = caed + nt () (), όπου: d = [ d, d,..., d ] T K είναι διάνυσμα-στήλη , που περιέχει την τιμή του μεταδιδόμενου συμβόλου με διάρκεια T b από τον k-ο χρήστη. Τα σύμβολα είναι διπολικά NRZ κωδικοποιημένα dk {, + } ; 53

95Performance analysis of suboptimal user detection algorithm User K d c (t) d k c k (t) d. c (t) E d K.. c K (t) E k α e θ j j K α e θ K n(t) r(t) c (t) c k (t) T b T b z z K d ˆF d ˆ F K MUD algorithm ˆd d ˆK Planar relay channel with fading fig. The system model MUD j j j K A = diag[ αe θ, αe θ,..., αke θ ] is a diagonal sequence, and the elements on the main diagonal are the complex transfer channel coefficients of the corresponding user. Amplitudes are relay-distributed, and phases are uniformly distributed in the interval [,π]. Channels for different users are assumed to be statistically independent. E = diag E, E,..., E K is a diagonal matrix. E is the symbol energy of the kth user. k c = [ c( t), c( t),..., ck ( t)] - is a matrix, each row of which consists of elements of the sparse array for (n) corresponding use ck {, + }. The length of the string is N - N = Tb / T, T c c is the length of the chip. n(t) is a realization of complex additive white Gaussian noise (AWGN) with independent real and imaginary components. Each of them has dispersion σ = No / [W/Hz]. MUD connects by downloading symbols from K users in parallel. The receiver consists of K unicorrelation receivers-k receiving channels (Figure). Assume that ideal synchronization exists and that the complex channel transfer coefficients jθ jθ jθk [ αe, αe,..., α K e ] are determined. The vector z is at the output of the correlator and consists of the following elements: z = [ z, z,... z ] T K = RAEd + n (3). R is the KxK cross-correlation matrix, whose coefficients are the normalized cross-correlation functions of the scattered series: R T b = c () t c () t dt (4). ij i j N n is the post-correlator AWGN, entered as a column vector n = [ n, n,..., n ] T K with covariance matrix equal to: R =.5N R. The kth element is: n n k o T b A. Individual trace = n() t c () t dt. o k In the schematic diagram shown in fig. the decision is made according to the ML criterion separately for each channel - individual detection. The obtained symbols are further used for MUD. There is, by definition, a synchronization of tokens transmitted by many active users. Presented in tabular form, the output vector of the decision device in the case of simple detection is: d ˆ = [ dˆ, dˆ,..., dˆ ] = sign R ( A * z ) (5). F F F F K { } The decision device input variable z depends on the currently transmitted symbol, MUI and AWGN. This allows the noise performance to be determined for a single detection. For the k-th user and the Gaussian approximation of the MUI distribution for the flat relay damping channel, the error probability is: K Pek =.5 E / MUI k No + Ei + Ek N i = (6). for example 6 considers the more difficult case of using a random dispersion instead of a pseudorandom sequence. The multiplier /N is related to the dispersion of cross-correlation functions of random sequences. When the power at the receiver input from all users is equal and using random strings, the error probability is: 53

96( o ) Pe =.5 / N + ( K ) / N + (7). kmui Εάν ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι πολύ μεγαλύτερος από τον λόγο σήματος προς mui, επομένως το κατώτερο όριο της πιθανότητας σφάλματος, όταν υπάρχει MUI από K χρήστες και μεμονωμένη ανίχνευση είναι: ( ) Pe =.5 / + (Κ) / Ν (8). kfl B. Βέλτιστο MUD Το βέλτιστο MUD προκύπτει όταν εφαρμόζεται το κριτήριο MAP. Αναζητείται το μέγιστο της συσχέτισης του ληφθέντος σήματος με όλα τα πιθανά σήματα μετάδοσης. Η λογαριθμική συνάρτηση πιθανότητας παρουσιάζεται σε μορφή πίνακα []: Ψ ( d) = R( d T EA * z) d T EARA * Ed (9). Το σύμβολοт () * σημαίνει τη μιγαδική συζευγμένη τιμή και τον πίνακα μεταθέσεως () Т. Η απόφαση των μεταδιδόμενων συμβόλων είναι: d ˆ = arg max Ψ ( d ) (). { [ ]} δ Ο βέλτιστος αλγόριθμος για το MUD οδηγεί στην εξάλειψη της επιρροής MUI. Η πιθανότητα σφάλματος για ένα bit για έναν δεδομένο χρήστη είναι ίση με την πιθανότητα σφάλματος στην περίπτωση της απλής ανίχνευσης συσχέτισης: III. ( ( ) ) Pe =.5 E / N + E ko k o k Ilia Georgiev Iliev and Marin Nedelchev (). ΥΠΟΒΑΘΜΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ А. Αλγόριθμος για διαδοχική αναζήτηση. Η εύρεση της βέλτιστης απόφασης για το MUD θεωρείται ως εργασία βελτιστοποίησης, η οποία αντικειμενική συνάρτηση είναι πολυπαραμετρική, διακριτή, μη μονοτροπική (9). Μία από τις πιθανές παραλλαγές, που προτείνεται στο [7] είναι η εφαρμογή μιας διαδοχικής αναζήτησης. Το διάνυσμα για βελτιστοποίηση αποτελείται από τα στοιχεία με τα σύμβολα χρήστη d. Ο αριθμός των υπολογισμών στον αλγόριθμο μειώνεται εάν το σημείο εκκίνησης για βελτιστοποίηση είναι τα δεδομένα από τις εξόδους των δεκτών συσχέτισης. Με βάση αυτά τα δεδομένα, σε συνδυασμό με το κριτήριο απόφασης (5), προκύπτει ένα πακέτο συμβόλων-dˆF. Αυτά τα κριτήρια δεν ελαχιστοποιούν τα σφάλματα που προκαλούνται από το MUI, ακριβώς το αντίθετο στην προσέγγιση της πιθανότητας σφάλματος με (6), (7), (8), (), οι συνολικές παρεμβολές θεωρούνται ως ανεξάρτητη Gaussian τυχαία τιμή από τον θόρυβο . Το κριτήριο απόφασης () στο MUD αντισταθμίζει την επιρροή του MUI και η πιθανότητα σφάλματος εξαρτάται μόνο από την ισχύ του AWGN. Εάν ένα bit στο πακέτο είναι λάθος, μπορεί να διορθωθεί χρησιμοποιώντας το κριτήριο απόφασης (). Είναι απαραίτητο να γίνουν μόνο (K+) υπολογισμοί της αντικειμενικής συνάρτησης (9) με διανύσματα του συνόλου M d, που έχουν απόσταση Hamming με το διάνυσμα d ˆF ίση με ένα: 533 M { d : H ( ˆ, ) } = d d = (). d d F Στη συνέχεια, η επανάληψη του αλγορίθμου σχετίζεται με την αναζήτηση σε μια γειτνίαση του σημείου στον χώρο διαστάσεων Κ με απόσταση Hamming ίσο με ένα. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί καθώς κάθε βήμα του αλγορίθμου βελτιστοποίησης αλλάζει διαδοχικά ένα στοιχείο του διανύσματος d (αλλάζει το bit) και αξιολογεί την αντικειμενική συνάρτηση. Μετά από αυτό, συλλέγεται το bit, το οποίο μεγιστοποιεί το (9). Το κριτήριο απόφασης μετασχηματίζεται σε: { [ ] } d ˆ = arg max Ψ ( d ) (3). d M d Η αναζήτηση πραγματοποιεί σφάλματα τόσες φορές όσες είναι οι αριθμοί σφαλμάτων σε ένα διάνυσμα d. А. Παράμετροι του αλγορίθμου διαδοχικής αναζήτησης. Τα σύμβολα εξόδου του δέκτη είναι παράλληλα ή το λαμβανόμενο διάνυσμα ˆd είναι ένα πακέτο, που αποτελείται από K σύμβολα. Αφήστε τα κανάλια των διαφορετικών χρηστών να είναι ανεξάρτητα και να πληρούνται οι απαιτήσεις για τη χρήση της Εξ. 8. Ο αριθμός των σφαλμάτων συμβόλων m σε ένα δεδομένο πακέτο είναι διωνυμικός κατανεμημένος και η πιθανότητα δίνεται με: m m K m P ( m) = C ( Pe ) ( Pe ) (4). K K kfl kfl Ας υποθέσουμε ότι η αντικειμενική συνάρτηση (9) μειώνεται για την αύξηση της απόστασης Hamming έναντι της βέλτιστης απόφασης στο (). Εάν τα σφάλματα στο πακέτο είναι περισσότερα από ένα, η διαδικασία που περιγράφεται παραπάνω μπορεί να επαναληφθεί όσες φορές είναι ο αριθμός των σφαλμάτων. Κάθε επανάληψη της διαδοχικής αναζήτησης μειώνει μόνο ένα σφάλμα στο πακέτο. Σε αυτή τη μείωση της πιθανότητας σφάλματος, το κατώτερο όριο της πιθανότητας σφάλματος ανά bit, για έναν δεδομένο χρήστη μπορεί να ληφθεί με την ακόλουθη εξίσωση: m L P C P P (5), K m m K m e = K ( ekfl) ( ekfl) m= L+ K όπου L είναι ο αριθμός των διορθωμένων σφαλμάτων. Στην πραγματικότητα, το L ορίζει τον ελάχιστο αριθμό επαναλήψεων για διαδοχική αναζήτηση. Το Σχ. δείχνει την εξάρτηση της πιθανότητας σφάλματος από τον αριθμό των ενεργών χρηστών (το μέγεθος ενός πακέτου) για έναν σταθερό αριθμό διορθωμένων σφαλμάτων (αριθμός επαναλήψεων στο κριτήριο (3)). Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει το κατώτερο όριο της πιθανότητας σφάλματος στην περίπτωση ανίχνευσης απλής συσχέτισης - Εξ. 8. Φαίνεται ξεκάθαρα ότι η αύξηση του αριθμού των επαναλήψεων, μειώνει την πιθανότητα σφάλματος, λόγω αντιστάθμισης του MUI. Εξ. Το (4) δείχνει ότι τα πολλαπλά σφάλματα είναι λιγότερο πιθανά. Η εξάρτηση που προκύπτει (5) και το Σχήμα καθιστούν δυνατό για μια δεδομένη πιθανότητα σφάλματος και αριθμό ενεργών χρηστών να υπολογίσουν τον ελάχιστο αριθμό επαναλήψεων του αλγορίθμου L. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί κανείς να αλλάξει προσαρμοστικά τον αριθμό των υπολογισμών ανάλογα με το κινητό φόρτωση δικτύου. Είναι σαφές ότι στον αλγόριθμο διαδοχικής αναζήτησης, ο αριθμός των υπολογισμών της αντικειμενικής συνάρτησης μειώνεται σημαντικά.

97Performance Analysis of Suboptimal Multiuser Detection Algorithm L= L= - Single Detection K= Pe -5 L=3 L=4 L=5 L=7 L=6 L=8 L=9 L= Pe - L=3 L= Users K Image. If the optimal algorithm is implemented, the number of computations J of the objective function is given by J= K. If L is used as the search termination criterion, the number of computations depends on the number of iterations. and active users. Additionally, L can be used to limit the end of the search. IV. SIMULATION RESULTS The algorithm was simulated in MATLAB. The spectrum is allocated by a random sequence for each user of length N=3. The channel is AWGN with slow relay. Figures 3 and 4 show the measured error probability as a function of the average value of Eb/No for K=, and a different number of L=,,3,4. The results show that increasing the number of repetitions leads to the achievement of the theoretical curve for full MUI compensation or simple detection with Eq. Figure 3 clearly shows that for L=4 the smallest error probability is Pe= -5. In other cases, L Pe is defined below and the value matches the value obtained from Equation 5. Pe K= N=3 Single detection K= Theoretical single detection K= L= L= L=4 L= Eb/No [db ] Figure 3 Probability of error in relation to E b /N for active users K= -3 K = N =3 L=6 Theoretical -4 Single detection K= L= Eb/No [db] Figure 4 Probability of error in relation to E b /N for active users K= V. CONCLUSION Suboptimal methods for MUD in modern CDMA systems are a prospective class compared to optimal methods, due to the reduced number of calculations and computational complexity. The results presented in this paper enable an adaptive change in the number of iterations, that is, the number of calculations of the MUD algorithm depending on the number of active users and a fixed error probability. In addition, the number of calculations is reduced because the initial starting point for the optimization is chosen after one scan. The obtained results show that increasing the number of drain iterations reaches the theoretical curve for full MUI compensation or simple detection. REFERENCES [] S. Verdú, Multiuser Detection. New York: Cambridge Univ. Press, 998. [] R. Lupas and S. Verd u, Multiuser linear detectors for synchronous code division multiple access channels, IEEE Trans. Notify. Theory, vol. 35, p. 3-36, January [3] Z. Xie, R. Short, C. Rushforth, A family of suboptimal detectors for coherent multiuser communications, IEEE J. on Selected Areas in Commun., vol.8, pp. May, 99 [4] C. Ergun and K. Hacioglu, Multiuser detection using genetic algorithm in CDMA communication systems, IEEE Trans. Commun., vol. 48, p. , August. [5] M. J. Juntti, T. Schl osser, J. O. Lilleberg, Genetic algorithms for multiuser detection in synchronous CDMA, IEEE ISIT 97, (Ulm, Germany), p. 49, 997. [6] K. Yen, L. Hanzo, Multiuser detection schemes based on hybrid genetic algorithms for modern CDMA systems, IEEE Vehicular Techn. Conference, Tokyo, May 5-8. [7] Peng Hui Tan, Lars K. Rasmussen, Multiuser Detection in CDMA A Comparison of Relaxation, Exact and Heuristic Search Methods, IEEE Tr. Wireless Comm., vol. 3, N5, 4 [8] Arnaudov Rumen, Rossen Miletiev - "Analysis of the irregularly sampled signals over the Nyquist limit," Metrology and Measurement Systems, Vol.XIII, No. 3, 6, pp. 3-36, Poland. 534

98Πραγματοποίηση του συστήματος λογισμικού επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας Snežana Mladenović και Slavko Vesković Περίληψη - Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμες μέθοδοι, επιλύοντας περισσότερο ή λιγότερο επιτυχώς τα προβλήματα NP-hard (επανα)προγραμματισμού. Εάν, ωστόσο, υπάρχει φιλοδοξία να εφαρμοστεί στην πράξη μία από τις μεθόδους προγραμματισμού, η έρευνα πρέπει να επικεντρωθεί τόσο στην ανάπτυξη αλγορίθμων όσο και σε αντίστοιχα συστήματα λογισμικού. Η εργασία παρουσιάζει τις πιο ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες υλοποίησης του πρώτου πρωτότυπου συστήματος επαναπρογραμματισμού τρένων. Λέξεις-κλειδιά - Επαναπρογραμματισμός αμαξοστοιχίας, σύστημα λογισμικού, OPL, CP I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρόβλημα προγραμματισμού αμαξοστοιχίας ανήκει σε μια κατηγορία προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης NPhard και ως εκ τούτου είναι πολύπλοκο τόσο για μοντελοποίηση όσο και για επίλυση. Από την άλλη πλευρά, αυτό το πρόβλημα πρέπει να λυθεί ως μέρος της διαδικασίας τακτικού σχεδιασμού σε πραγματικά σιδηροδρομικά συστήματα. Η ανάθεση της αλλαγής προγραμματισμού αμαξοστοιχίας είναι ότι σε μικρότερο τμήμα του σιδηροδρομικού δικτύου, σε συντομότερη περίοδο προγραμματισμού, πραγματοποιείται επιχειρησιακή ανακατασκευή του χρονοδιαγράμματος, ως απάντηση σε διαταραχές που έχουν προκύψει. Ο επαναπρογραμματισμός γενικά μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι πιο δύσκολο πρόβλημα από έναν αρχικό προγραμματισμό επειδή του επιβάλλονται πρόσθετες απαιτήσεις [, ]: να βρεθεί μια λύση σε δεδομένο πραγματικό χρόνο. να έχετε ένα ανακτημένο πρόγραμμα που θα αποκλίνει όσο το δυνατόν λιγότερο από το αρχικό. η λύση, αν όχι η βέλτιστη, να είναι τουλάχιστον «αρκετά καλή» σε σχέση με την αντικειμενική συνάρτηση που έχει εκχωρηθεί, κ.λπ. Οι συγγραφείς έχουν συμφωνήσει ότι ο επαναπρογραμματισμός αμαξοστοιχίας είναι μια αρκετά δύσκολη δουλειά. Σύμφωνα με τους Norio et al. [3], οι κύριοι λόγοι για αυτό είναι οι εξής: είναι δύσκολο να αποφασιστεί ένα αντικειμενικό κριτήριο επαναπρογραμματισμού που να είναι ομοιόμορφα εφαρμόσιμο. Ο επαναπρογραμματισμός του τρένου είναι ένα μεγάλου μεγέθους συνδυαστικό πρόβλημα. απαιτείται υψηλή αμεσότητα. δεν μπορούν πάντα να ληφθούν απαραίτητες πληροφορίες. Δεδομένου ότι ο επαναπρογραμματισμός αμαξοστοιχιών είναι τόσο δύσκολη δουλειά, η βοήθεια συστημάτων λογισμικού ήταν πολύ επιθυμητή και σήμερα χρησιμοποιούνται πρακτικά συστήματα επαναπρογραμματισμού τρένων. Ωστόσο, μόνο μερικές δημοσιευμένες εργασίες ασχολούνται με το λογισμικό αλλαγής προγραμματισμού τρένων σε πραγματικό χρόνο. Στην πραγματικότητα, τα τρέχοντα συστήματα επαναπρογραμματισμού ελέγχουν κυρίως εάν η λύση που προτείνει ο χρήστης είναι εφικτή και δεν κάνουν πλήρη αναγέννηση του χρονοδιαγράμματος. Μπορεί επίσης να σημειωθεί ότι οι συγγραφείς απλοποιούν το πρόβλημα του προγραμματισμού με δύο τρόπους: απλοποιώντας τη δομή του δικτύου και παραλείποντας ή/και προσεγγίζοντας τους περιορισμούς που διέπουν την κίνηση του τρένου. Έτσι, το μοντέλο που χρησιμοποιείται από τους Isaai και Singh στο [4] δεν επιτρέπει την αλληλουχία σε γραμμή μονής τροχιάς μεταξύ δύο διαδοχικών σταθμών. Οι πρώτοι Συγγραφείς είναι με τη Σχολή Μηχανικών Μεταφορών και Κυκλοφορίας του Πανεπιστημίου του Βελιγραδίου, Vojvode Stepe 35, Βελιγράδι, Σερβία, s:; Το τρένο πρέπει να ολοκληρώσει την άφιξή του στον επόμενο σταθμό πριν το επόμενο τρένο αναχωρήσει από τον προηγούμενο σταθμό. Αυτός ο κανόνας χαλαρώνει το πρόβλημα, αλλά οδηγεί σε μια φτωχότερη λύση, καθώς τα πιο αργά τρένα μπορούν να κρατήσουν άλλα ταχύτερα τρένα ενώ διασχίζουν από τον έναν σταθμό στον άλλο. Ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η εφαρμογή του συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχιών αποτελούν ειδική αποστολή της μηχανικής λογισμικού. Η εργασία παρουσιάζει συστάσεις που πρέπει να ακολουθούνται ως γενικές κατά τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την εφαρμογή του συστήματος επαναπρογραμματισμού. Σύμφωνα με αυτές τις συστάσεις, υλοποιήθηκε το πρώτο πρωτότυπο συστήματος επαναπρογραμματισμού τρένων. Η υπόλοιπη εργασία οργανώνεται ως εξής: Η ενότητα επισημαίνει ορισμένες ιδιαιτερότητες στον κύκλο ζωής του λογισμικού επαναπρογραμματισμού. Η ενότητα 3 καταγράφει τις αναμενόμενες απαιτήσεις σχεδιασμού. Η Ενότητα 4 πραγματεύεται τα θέματα εφαρμογής. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στις δοκιμές στη σταδιακή ανάπτυξη λογισμικού, και αυτό συζητείται στην Ενότητα 5. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων του πρώτου πρωτοτύπου αποτελεί προϋπόθεση για τον καθορισμό νέων απαιτήσεων και την ανάπτυξη ενός νέου, πιο τέλειου πρωτοτύπου, το οποίο συζητείται στην Ενότητα 6. Τέλος, η Ενότητα 7 παρουσιάζει συμπεράσματα. II. ΕΠΑΝΑΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Το σπειροειδές μοντέλο, σύμφωνα με τη γνώμη των συγγραφέων, είναι το μοντέλο της πρώτης επιλογής για την ανάπτυξη εφαρμογών επαναπρογραμματισμού. Η βασική υπόθεση είναι ότι η προδιαγραφή των απαιτήσεων των χρηστών δεν έχει οριστικοποιηθεί πλήρως πριν από τα στάδια σχεδιασμού και υλοποίησης. Το σύστημα λογισμικού αναπτύσσεται σταδιακά, αναπτύσσοντας μια σειρά από πρωτότυπα, τα οποία επαληθεύονται και επικυρώνονται, λαμβάνοντας υπόψη τις νέες απαιτήσεις των χρηστών. Μια ιδιαιτερότητα του προτεινόμενου σπειροειδούς μοντέλου είναι μια ανάλυση κινδύνου που πρέπει να πραγματοποιηθεί πριν από το σχεδιασμό οποιουδήποτε νέου πρωτοτύπου. Ο κίνδυνος για την ανάπτυξη ενός συστήματος λογισμικού επαναπρογραμματισμού δεν είναι χαμηλός. το πρωτότυπο μπορεί απλώς να "αποτύχει", εάν έχουν επιβληθεί πολύ αυστηρά χρονικά όρια Στο παρόν, θα επισημανθούν μόνο οι λεπτομέρειες του κύκλου ζωής του λογισμικού επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας που διαφοροποιούνται από άλλα συστήματα λογισμικού. III. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ Οι βασικές απαιτήσεις που τίθενται στο λογισμικό επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας είναι: αλληλεπίδραση με άλλα συστήματα λογισμικού, ύπαρξη γραφικής διεπαφής χρήστη, τήρηση χρονικών ορίων. Το σύστημα επαναπρογραμματισμού πρέπει να λαμβάνει πληροφορίες από ιεραρχικά υψηλότερα επίπεδα σχεδιασμού. Έτσι, ένα αρχικό χρονοδιάγραμμα αμαξοστοιχίας και η τοπολογία δικτύου πρέπει να είναι προσβάσιμα στο λογισμικό επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας. Το σύστημα επαναπρογραμματισμού πρέπει επίσης να 535

99Η υλοποίηση του συστήματος λογισμικού επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας λαμβάνει τις πιο πρόσφατες πληροφορίες σχετικά με τη διαθεσιμότητα πόρων, την πρόοδο της εργασίας κ.λπ. από το σύστημα παρακολούθησης της διαδικασίας. Μια γενική ιδέα είναι όλα τα διαθέσιμα δεδομένα να βρίσκονται στο σύστημα πληροφοριών DataBase DB, από όπου θα είναι προσβάσιμα στο λογισμικό επαναπρογραμματισμού. Συνήθως, απαιτείται σημαντική προσπάθεια για την προσαρμογή της βάσης δεδομένων του πραγματικού συστήματος για την είσοδο του συστήματος επαναπρογραμματισμού. Η απαίτηση να γίνει η βάση δεδομένων σωστή, συνεπής και πλήρης συχνά προϋποθέτει τον σχεδιασμό μιας σειράς δοκιμών που πρέπει να εκτελεστούν τα δεδομένα πριν χρησιμοποιηθούν. Δεδομένου ότι μια πραγματική βάση δεδομένων από τη σιδηροδρομική εταιρεία δεν ήταν προσβάσιμη κατά τη διάρκεια της έρευνας, δημιουργήθηκε μια επίδειξη βάσης δεδομένων MS Access, με την προϋπόθεση ότι είναι σωστή, συνεπής και πλήρης. Μέσα στη βάση δεδομένων, είναι δυνατή η διάκριση των στατικών και δυναμικών δεδομένων. Τα στατικά δεδομένα είναι όλα δεδομένα για εργασίες και πόρους που δεν εξαρτώνται από τον προγραμματισμό. Για παράδειγμα, τα δεδομένα για τις κατηγορίες τρένων ανήκουν σε στατικά δεδομένα. Τα δεδομένα για τους πόρους είναι σχετικά στατικά δεδομένα, καθώς και για το κανονικό χρονοδιάγραμμα. Οι προτεραιότητες εργασίας είναι επίσης στατικά δεδομένα, που δεν εξαρτώνται ούτε από τον προγραμματισμό. Η προτεραιότητα μπορεί να βασίζεται στην αξιολόγηση του σχεδιαστή ή μπορεί να προκύπτει από τη διαδικασία που λαμβάνει υπόψη άλλα δεδομένα από τη βάση δεδομένων του συστήματος πληροφοριών. Η αλλαγή προτεραιότητας εργασίας μπορεί να εξαρτάται από την περίοδο προγραμματισμού, αλλά και από ορισμένα εξωτερικά, δύσκολα προβλέψιμα γεγονότα. Ως εκ τούτου, τα προαστιακά και τα αστικά τρένα ενδέχεται προσωρινά, κατά την περίοδο αιχμής, να έχουν υψηλότερη προτεραιότητα από τα διεθνή τρένα. Στο μοντέλο μας, η αλλαγή της διαδικασίας προτεραιότητας λαμβάνει υπόψη τις εκτιμήσεις εμπειρογνωμόνων στη βάση δεδομένων που έγιναν για μεμονωμένες ενότητες και μεμονωμένες περιόδους κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η δυναμική βάση αποτελείται από όλα τα δεδομένα που εξαρτώνται από το χρονοδιάγραμμα: χρόνοι έναρξης και ολοκλήρωσης εργασίας, τρέχουσες θέσεις εργασίας, αριθμός καθυστερημένων εργασιών κ.λπ. Ορισμένα δεδομένα μπορεί να θεωρηθούν τόσο στατικά όσο και δυναμικά, π.χ. χρόνος εγκατάστασης πόρων. Η εμφάνιση απροσδόκητων δυναμικών δεδομένων στο DB είναι στην πραγματικότητα ένα έναυσμα για τη διαδικασία επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας. Το χρονοδιάγραμμα Model Base MB κατέχει επίσης σημαντική θέση στο σύστημα επαναπρογραμματισμού μας. Συλλέγει τα μοντέλα που βελτιστοποιούν τη μία ή την άλλη αντικειμενική συνάρτηση, επιβάλλοντας ή χαλαρώνοντας ορισμένους περιορισμούς. Μια ειδική διαδικασία επιλέγει ένα μοντέλο από τα MB, λαμβάνοντας υπόψη την επιθυμία του χρήστη να θέλει να βελτιστοποιήσει τη λειτουργία. Η αρχιτεκτονική ενός υποθετικού συστήματος πληροφοριών με ενσωμάτωση μιας ενότητας ανάκτησης χρονοδιαγράμματος συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας, παρουσιάζεται στο σχήμα με τη μορφή διαγράμματος ροής δεδομένων μεταξύ των διεργασιών. Η μονάδα ανάκτησης χρονοδιαγράμματος θα πρέπει να επιτρέπει τη διαχείριση του μοντέλου: επιλογή, συνδυασμός, αλληλουχία, εκτέλεση κ.λπ. Οι διεπαφές χρήστη μπορούν να καθορίσουν τη χρηστικότητα του συστήματος προγραμματισμού. Προφανώς, η οπτικοποίηση του προγραμματισμού πρέπει να μοιάζει με αυτήν που έχουν συνηθίσει οι χρήστες κατά τη διάρκεια της εργασίας τους για πολλά χρόνια. Επίσης, δεδομένου ότι οι μηχανές συμπερασμάτων και η λήψη αποφάσεων είναι κρυμμένα από τους χρήστες του σχεδιαστή, η παρουσίαση των αποτελεσμάτων προγραμματισμού πρέπει να είναι τέτοια ώστε να τον κάνει γρήγορα και εύκολα σίγουρο για την εγκυρότητα της λύσης "goodenough" που βρέθηκε. Το λογισμικό προγραμματισμού πρέπει να έχει διεπαφή βασισμένη στο "παράδειγμα WIMP" (Παράθυρο, Αλληλεπίδραση, Ποντίκι, Δείκτης). Οι διεπαφές χρήστη για τις μονάδες βάσης δεδομένων είναι σε τυποποιημένη μορφή και καθορίζονται από ένα χρησιμοποιημένο πακέτο διαχείρισης βάσης δεδομένων. Η πραγματοποιηθείσα ενότητα ανάκτησης χρονοδιαγράμματος περιέχει 7 μοντέλα που αντιστοιχούν σε διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις (μέγιστη καθυστέρηση, μέγιστη σταθμισμένη καθυστέρηση, συνολική καθυστέρηση, συνολική σταθμισμένη καθυστέρηση, στάθμευση, μέγιστη χαλάρωση τρένων στους σταθμούς, αριθμός καθυστερημένων τρένων). Εάν επιθυμούμε να προσφέρουμε στον χρήστη του σχεδιαστή τη δυνατότητα άμεσης επιλογής μοντέλου, πρέπει να του παρέχουμε μια διεπαφή χρήστη που θα επιτρέπει τέτοιο χειρισμό. Δεν είναι απαραίτητοι άλλοι τρόποι διαδραστικών χειρισμών, επειδή ο ίδιος ο στόχος του συστήματος επαναπρογραμματισμού είναι ένας πλήρης αυτοματισμός που εξαλείφει τις αργές ενέργειες του χρήστη. Η βιβλιογραφία περιγράφει πολλές τυπικές διεπαφές χρήστη για την παρουσίαση πληροφοριών προγραμματισμού [5]. Είναι ενδιαφέρον ότι καμία από τις τυπικές γραφικές διεπαφές δεν ήταν πλήρως κατάλληλη για οπτικοποίηση χρονοδιαγράμματος στο πρόβλημα επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας για αντικειμενικούς και υποκειμενικούς λόγους. Αντικειμενικά, καμία από τις διεπαφές δεν παρουσιάζει αρκετά διαφανή την αλληλουχία, την προσπέραση, τη διέλευση, την αναμονή και την κίνηση των τρένων. Από την άλλη πλευρά, οι χρήστες του σχεδιαστή είναι συνηθισμένοι στην οπτικοποίηση που είναι γνωστή ως διάγραμμα τρένου, που είναι στην πραγματικότητα ένα ελαφρώς τροποποιημένο διάγραμμα Gantt. Η τροποποίηση συνίσταται στο «άγγιγμα» των πόρων στον άξονα y (στην πραγματικότητα, τα πραγματικά αντικείμενα υποδομής αγγίζουν το ένα το άλλο) και την αντικατάσταση των ράβδων από τις διαγώνιές τους, κάτι που συμβολίζει την κίνηση του τρένου σε έναν πόρο. Το σχήμα αντιπροσωπεύει την πραγματοποιηθείσα γραφική παρουσίαση ενός ευρεθέντος χρονοδιαγράμματος του συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας. Το τροποποιημένο γράφημα Gantt δημιουργείται αυτόματα από το MS Excel. Στη γραφική παρουσίαση, το "φόντο" είναι πάντα μια πίνακας παρουσίασης του διαγράμματος τρένου, που παρουσιάζει τους χρόνους έναρξης και λήξης κάθε δραστηριότητας εργασίας, μαζί με τις πληροφορίες σχετικά με τον πόρο που θα επιτευχθεί. IV. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Η εφαρμογή του συστήματος χρονοπρογραμματισμού συνοδεύεται εξαρχής από μπερδέματα. Δηλαδή, δεκάδες εταιρείες λογισμικού ισχυρίζονται ότι έχουν αναπτύξει αυτόματες γεννήτριες προγραμματισμού, που μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικά πραγματικά συστήματα, είτε πρόκειται για επιλογή μιας εμπορικά διαθέσιμης γεννήτριας προγραμματισμού, ανάπτυξη ενός συστήματος "από το μηδέν" ή συνδυαστική προσέγγιση; Σε προσπάθειες να εφαρμοστεί το σύστημα επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχιών αποκλειστικά από τις διαθέσιμες γεννήτριες προγραμματισμού, προέκυψε μια σειρά προβλημάτων: ένα εξαιρετικά μεγάλο πρόβλημα προγραμματισμού, δυσκολίες στη δημιουργία σύνδεσης μεταξύ του συστήματος προγραμματισμού και του συστήματος παρακολούθησης υλοποίησης δρομολογίων, δυσκολίες κωδικοποίησης ειδικών περιπτώσεων (π.χ. σταθμός Τα κομμάτια υπό συγκεκριμένες συνθήκες συμπεριφέρονται ως ένας μόνος πόρος και ως ξεχωριστοί πόροι διαφορετικά), απαιτήσεις χρονισμού,... Από την άλλη πλευρά, υπήρχε μια ιδέα να επιταχυνθεί το στάδιο της υλοποίησης χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες γεννήτριες προγραμματισμού. Το Integrated Development Environment (IDE) OPL Studio [7] μας δίνει τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε και να τροποποιήσουμε τα μοντέλα περιορισμού προγραμματισμού (CP) και προγραμματισμού χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού βελτιστοποίησης (OPL), να συνθέσουμε και να ελέγξουμε μοντέλα χρησιμοποιώντας τη διαδικαστική γλώσσα OPL Script, για εκτέλεση μοντέλα από ILOG Solver και ILOG Scheduler καθώς και για παρουσίαση αποτελεσμάτων (χρονοδιαγράμματα) σε μορφή πίνακα και γραφικών. Η δοκιμαστική έκδοση του OPL Studio είναι διαθέσιμη στον ιστότοπο 536

100και χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του πρώτου πρωτότυπου συστήματος επαναπρογραμματισμού τρένων. Snežana Mladenović και Slavko Vesković Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση του χρόνου, τα διαθέσιμα εργαλεία λογισμικού προστέθηκαν σε ενότητες που εφαρμόζουν ευρετικές ειδικές για το πρόβλημα του επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας. Με την ευρετική διαχωρισμού, ένα παγκόσμιο πρόβλημα χωρίστηκε σε μια σειρά από υποπροβλήματα μικρότερου μεγέθους που το ILOG Scheduler μπορεί να λύσει μέχρι τη βέλτιστη. Τα δεσμευμένα ευρετικά αρχικά περιόρισαν τους τομείς της μεταβλητής απόφασης και τις αντικειμενικές συναρτήσεις και οι ευρετικές αναζήτησης κατευθύνουν την αναζήτηση στο χώρο υποσχόμενοι καλές λύσεις. Αυτά τα ευρετικά περιγράφηκαν λεπτομερώς στο [6]. Η δηλωτική φύση του OPL χρησιμοποιήθηκε για μια απλή διατύπωση του μοντέλου προγραμματισμού. Η ίδια η ενότητα ανάκτησης χρονοδιαγράμματος αντιπροσωπεύει στην πραγματικότητα μια διαδικασία που διατυπώθηκε στο OPL Script με τον έλεγχο των μοντέλων βελτιστοποίησης με κατάλληλο τρόπο κατασκευάζει "αρκετά καλό" χρονοδιάγραμμα στον περιορισμένο χρόνο. V. ΔΟΚΙΜΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ Η δοκιμή του συστήματος λογισμικού παραδοσιακά διεξάγεται μέσω επαλήθευσης και επικύρωσης. Η επαλήθευση και η επικύρωση του πρωτοτύπου πρέπει να πραγματοποιούνται σύμφωνα με τα τυπικά κριτήρια για το λογισμικό, τα οποία είναι η αποδοτικότητα: αξιοπιστία, χρηστικότητα, δυνατότητα τροποποίησης, φορητότητα, δυνατότητα δοκιμής, επαναχρησιμοποίηση, δυνατότητα συντήρησης, διαλειτουργικότητα και ορθότητα. Το πρώτο πρωτότυπο συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας αξιολογήθηκε για όλα τα ποιοτικά κριτήρια. Η ιδιαιτερότητα της εφαρμογής επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας επιβάλλει να διευκρινιστεί σε αυτό το σημείο, ιδίως: η αποτελεσματικότητα του λογισμικού πρέπει να λειτουργεί εντός του προβλεπόμενου χρονικού ορίου. Αυτή είναι μια βασική ιδιότητα του συστήματος επαναπρογραμματισμού. Η δοκιμή συστημάτων που πρέπει να λειτουργήσουν εντός του δεδομένου χρονικού ορίου είναι εξαιρετικά δύσκολη. Η ιδέα είναι να Εικ.. Η θέση της μονάδας ανάκτησης χρονοδιαγράμματος σε ένα πραγματικό σύστημα πληροφοριών επαναλαμβάνει κάθε παράδειγμα δοκιμής πολλές φορές και μια καλή κατεύθυνση για υποστήριξη αυτής της ιδέας είναι η αυτόματη δοκιμή. Η δοκιμή του πρώτου πρωτοτύπου συστήματος επαναπρογραμματισμού τρένων έγινε χειροκίνητα, σε μεγάλο αριθμό δρομολογίων εισόδου με υπάρχουσες διαταραχές. Κάθε παράδειγμα δοκιμής, ωστόσο, εκτελέστηκε τουλάχιστον φορές για να προσδιοριστεί η μέση τιμή του χρόνου CPU. Διαπιστώθηκε κατά τη διάρκεια της δοκιμής ότι η διακύμανση του χρόνου της CPU δεν είναι ακόμη δραστική (όχι μεγαλύτερη από ± % της μέσης τιμής). επαναχρησιμοποίηση η ιδιότητα του λογισμικού που, στο σύνολό του ή σε μέρη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη παρόμοιων συστημάτων, αυξάνοντας έτσι την παραγωγικότητα ανάπτυξης σχετικών συστημάτων. Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι ο επαναπρογραμματισμός αμαξοστοιχίας είναι ο πυρήνας των συστημάτων που ασχολούνται με τη σιδηροδρομική κυκλοφορία με: προετοιμασία χρονοδιαγράμματος, προσδιορισμό οικονομικά αποδεκτής χρήσης του διαστήματος χωρητικότητας, εκτίμηση του κόστους στάσης και καθυστέρησης των αμαξοστοιχιών για επιχειρησιακούς λόγους, πρόβλεψη των επιπτώσεων επενδύσεων, εντοπισμός σημείων συμφόρησης στην υποδομή, επιλογή πιθανής λύσης σημείου σύγκρουσης, δοκιμή διάταξης και διάταξης τμημάτων και σημάτων κατά μήκος της σιδηροδρομικής γραμμής κ.λπ. Η τυποποίηση των μονάδων λογισμικού και η επικοινωνία τους είναι μια καλή κατεύθυνση για την αναβάθμιση της επαναχρησιμοποίησής τους. Η δυνατότητα τροποποίησης εκφράζει μια ιδιότητα εύκολων τροποποιήσεων στο λογισμικό σε περίπτωση αλλαγής των απαιτήσεων του χρήστη. Για παράδειγμα, είναι λογικό να αναμένεται ότι το σύνολο των περιορισμών θα υπόκειται σε αλλαγές. Μια δηλωτική φύση της προσέγγισης CP, διαχωρισμός μεταξύ του περιορισμού 537

101Πραγματοποίηση του στοιχείου συστήματος λογισμικού επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας και του στοιχείου αναζήτησης, τα διαθέσιμα εργαλεία CP, προσφέρουν στον προγραμματιστή φανταστικές δυνατότητες για να επιτύχει το υψηλότερο επίπεδο δυνατότητας τροποποίησης kolbd kolpm Διάγραμμα τρένου train#, cat: 5 train#, cat: 4 train#3, cat: train #4, γάτα: 4 τρένο#5, γάτα: τρένο#6, γάτα: 5 τρένο#7, γάτα: 3 τρένο#8, γάτα: τρένο#9, γάτα: 4 τρένο#, γάτα: 4 Beograd Dunav Pancevacki περισσότεροι πόροι kolkr Krnjaca Sebes kolov34 kolov time t[s] Εικ.. Πραγματοποιημένο παράθυρο διεπαφής χρήστη του πρώτου πρωτότυπου συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας μια γραφική παρουσίαση του ανακτημένου χρονοδιαγράμματος τρένων με τη μορφή τροποποιημένου διαγράμματος Gantt VI. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ Η δοκιμή του πρώτου πρωτοτύπου συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας διεξήχθη σε μεγάλο αριθμό χρονοδιαγραμμάτων εισόδου με υπάρχουσες συγκρούσεις. Πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί σε ένα τμήμα του πραγματικού σιδηροδρομικού δικτύου (τμήμα του Σιδηροδρομικού Κόμβου Βελιγραδίου), με κατηγορίες τρένων που λειτουργούν εκεί, αλλά με συχνότητα κίνησης που υπερβαίνει κατά πολύ την πραγματική. Οι δουλειές (τρένα) «στοιβάζονται» επίτηδες για να δοκιμάσουν την αντοχή της μεθόδου. Και οι επτά σχετικές αντικειμενικές συναρτήσεις συμμετείχαν στο πείραμα. Κάθε σύνολο εργασιών που υφίστανται διαταραχές περιλαμβάνει τρένα διαφορετικών κατηγοριών και διαφορετικών κατευθύνσεων κίνησης. Όλα τα πειράματα έχουν υλοποιηθεί σε προσωπικό υπολογιστή Intel (R) Pentium(R) 4 CPU, GHz. Για παράδειγμα, ο χρόνος της CPU που απαιτείται για τη δημιουργία του χρονοδιαγράμματος, που δίνεται στο σχήμα, ήταν δευτερόλεπτα όπου η αντικειμενική συνάρτηση ήταν η μέγιστη καθυστέρηση. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων του πειράματος μπορεί να εξαχθεί το ακόλουθο συμπέρασμα: Ο χρόνος ανάκτησης του χρονοδιαγράμματος της CPU εξαρτάται από τον αριθμό των δραστηριοτήτων και τον αριθμό των συγκρούσεων. Η επίλυση των αρχικών συγκρούσεων μπορεί να προκαλέσει πρόσθετες συγκρούσεις. Στις περισσότερες περιπτώσεις η απόδοση του χρόνου είναι ικανοποιητική. έχει αποδειχθεί η ευρετική φύση της προσέγγισης (σε ασήμαντο αριθμό περιπτώσεων δεν έχει βρεθεί η πιο γνωστή λύση για τη δεδομένη αντικειμενική συνάρτηση). Με βάση αυτή την ανάλυση, μπορούμε να διατυπώσουμε τις προτάσεις των οποίων η αποδοχή θα πρέπει να οδηγήσει στο βελτιωμένο πρωτότυπο. VII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Ένα σημαντικό μέρος της θεωρητικής έρευνας που πραγματοποιήθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα του χρονοπρογραμματισμού έχει περιορισμένη εφαρμογή σε πραγματικά συστήματα. Επομένως, η έρευνα πρέπει να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη αλγορίθμων, αλλά και στην ανάπτυξη συστημάτων λογισμικού. Αυτή η εργασία είναι μια από αυτές τις προσπάθειες. Ovca Το σύστημα λογισμικού επαναπρογραμματισμού θα πρέπει να επιτρέπει στον προγραμματιστή να παράγει ταχύτερα ένα χρονοδιάγραμμα καλύτερης ποιότητας. Υπάρχουν επίσης και άλλοι λόγοι για την εισαγωγή συστημάτων αυτόματου προγραμματισμού. Το σύστημα προγραμματισμού απαιτεί προηγμένες «πειθαρχίες» από άλλα υποσυστήματα του πραγματικού πληροφοριακού συστήματος. Υποχρεώνει και διασφαλίζει την ανάπτυξη της πραγματικής διαδικασίας σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα. Πειράματα που έγιναν στο πρώτο πρωτότυπο συστήματος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας, σε πραγματικό θραύσμα σιδηροδρομικού δικτύου, με πραγματική δομή κυκλοφορίας και πιθανές διαταραχές, μας κάνουν να πιστεύουμε ότι η προσέγγιση που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο μπορεί να προσφέρει πλήρη υποστήριξη στη λειτουργική διαχείριση των σιδηροδρόμων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Cowling, P. and M. Johansson, Using real time information for αποτελεσματικό δυναμικό scheduling, European Journal of Operational Research, 39(), σελ. 3-44,. [] Vieira, E. G, J. W. Herrmann and E. Lin, Rescheduling manufacturing systems: a frame of strategies, politics and method, Journal of Scheduling, 6, σελ. 39-6, 3. [3] Norio T., Y Tashiro, T. Noriyuki, H. Chikara και M. Kunimitsu, Αλγόριθμος επαναπρογραμματισμού αμαξοστοιχίας που ελαχιστοποιεί τη δυσαρέσκεια των επιβατών, στο Innovations in Applied Artificial Intelligence, Lecture Notes in Artificial Intelligence 3533, Springer Verlag, pp , 5., M. Isaai. και M. G. Singh, Ένα αντικειμενοστρεφές, βασισμένο σε περιορισμούς ευρετικό για μια κατηγορία προβλημάτων προγραμματισμού επιβατών τρένων, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics Part C: Applications and Reviews, 3(), σελ. -,. [5] Pinedo, M., Scheduling: Theory, Algorithms and Systems, Prentice Hall, 995. [6] Mladenović, S., M. Čangalović, D. Bečejski Vujaklija and M. Marković, Προσέγγιση προγραμματισμού περιορισμών στον προγραμματισμό τρένων στο σιδηρόδρομο network supported by heuristics, th World Conference on Transport Research, CD of Selected and Revised Papers, Paper number 87, Abstract book I, pp , Istanbul, Turkey, 4. [7] ILOG OPL Studio 538

102Ανάλυση απόδοσης του EDCA σε περιβάλλον πολυμέσων Blagoj Ilievski, Pero Latkoski και Borislav Popovski Περίληψη Αυτό το άρθρο εξετάζει ζητήματα που προκύπτουν όταν πρέπει να διασφαλιστεί η παροχή υπηρεσιών από άκρο μέχρι το τέλος στα σημερινά διάχυτα ετερογενή ενσύρματα δίκτυα. Το βασικό πρότυπο IEEE 8. για τοπικά δίκτυα δεν μπορεί να αντιμετωπίσει τις αναδυόμενες υπηρεσίες πολυμέσων όπως φωνή, δεδομένα και βίντεο. Από την άλλη, το ασύρματο μέσο είναι πολύ συγκεκριμένο. δεν υπάρχει καμία εγγύηση για τυχόν παραστάσεις όπως στο ενσύρματο μέσο, ​​ειδικά στο μη αδειοδοτημένο φάσμα. Το νέο 8.e MAC που βασίζεται τόσο σε κεντρικά ελεγχόμενη όσο και σε προσπέλαση καναλιού που βασίζεται σε διαμάχη παρέχει μέσα για την απαραίτητη QoS σε τέτοιες συνθήκες. Εδώ αναλύουμε την απόδοση της απόδοσης και την απώλεια πακέτων για διαφορετικούς τύπους κίνησης, σε σύγκριση με το βασικό πρότυπο, και την εξάρτησή του από τις συνθήκες δικτύου. Λέξεις-κλειδιά IEEE 8.e, Network Simulator, αξιολόγηση απόδοσης. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ IEEE 8. Το [] εισάγει DCF (Συνάρτηση Κατανεμημένου Συντονισμού) και PCF (Συνάρτηση Συντονισμού Σημείου) στο επίπεδο MAC. Το DCF δεν υποστηρίζει μηχανισμό προτεραιότητας []. Όλα τα πακέτα αντιμετωπίζονται χρησιμοποιώντας τη φιλοσοφία "πρώτα έρχεται πρώτη εξυπηρέτηση". Από την άλλη πλευρά, το PCF υποστηρίζει διάφορες μεθόδους κράτησης πόρων. Παρόλο που μπορεί να υποστηρίξει ορισμένα είδη κίνησης που είναι κρίσιμης σημασίας για το χρόνο, έχουν εντοπιστεί πολλές ανεπάρκειες, όπως άγνωστη διάρκεια μετάδοσης του εκλογικού κέντρου, δυσκολία πρόβλεψης του αριθμού των καρέ που θέλει να στείλει κανείς, δεν έχει οριστεί διεπαφή διαχείρισης για τη δημιουργία και τον έλεγχο λειτουργιών PCF . Μπορούμε να συνοψίσουμε ότι το DCF δεν μπορεί να παρέχει QoS και το PCF δεν είναι αρκετά ικανό [3]. Το πρότυπο 8.e είναι το αποτέλεσμα του ζητήματος QoS των WLAN. Λόγω της δυναμικής φύσης αυτών των ειδών δικτύων, είναι αδύνατο να εφαρμοστούν τεχνικές διαχείρισης QoS για τη διαπραγμάτευση της ποιότητας μεταξύ των χρηστών και του δικτύου. Ωστόσο, είναι δυνατό να αυξηθεί η πιθανότητα επιτυχίας ορισμένων κατηγοριών επισκεψιμότητας για να ληφθεί το κατάλληλο QoS. Υπάρχουν δύο είδη QoS: Παραμετροποιημένο QoS Μια αυστηρή απαίτηση QoS που εκφράζεται ποσοτικά ως προς το ρυθμό δεδομένων, το όριο καθυστέρησης κ.λπ. Για διαφορετικούς τύπους κίνησης, υπάρχουν διαφορετικές απαιτήσεις, αλλά στην περίπτωση των WLAN οι πιο συνηθισμένες είναι δύο: δεσμευμένη καθυστέρηση (για κίνηση σε πραγματικό χρόνο) και jitter. Από την άλλη πλευρά, ορισμένα ρεύματα κυκλοφορίας περιγράφονται από το ρυθμό μετάδοσης (αιχμή και μέσος όρος), το διάστημα εξυπηρέτησης (ελάχιστο και μέγιστο) και το μέγεθος ριπής του ρυθμού αιχμής. Όλοι οι συγγραφείς είναι με τη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογιών Πληροφορικής Σκόπια, Μακεδονία. Ο όρος QoS του WLAN αναφέρεται μόνο στο επίπεδο MAC. Το νέο πρότυπο (IEEE 8.e) ορίζει σταθμούς με υποστήριξη QoS - QSTAs, και σημεία πρόσβασης με υποστήριξη QoS - QAP, διαφορετικούς από τους σταθμούς και το σημείο πρόσβασης που ορίζονται στο αρχικό πρότυπο (IEEE 8.). Εδώ, εισάγεται μια νέα μέθοδος για την υποστήριξη των απαιτήσεων QoS: Hybrid Coordination Function (HCF). Το HCF έχει δύο κύρια μέρη. Το ένα είναι HCF Controlled Channel Access (HCCA), για την απαίτηση Ενσωματωμένων Υπηρεσιών. Το άλλο είναι η Βελτιωμένη πρόσβαση σε κατανεμημένο κανάλι (EDCA/EDCF), για την απαίτηση Διαφορετικών Υπηρεσιών. Με άλλα λόγια, το EDCF είναι υπεύθυνο για τη διαμάχη, ενώ το HCF για το καθεστώς εργασίας χωρίς διαμάχες. Ενώ το EDCF είναι κατάλληλο για ασύγχρονες υπηρεσίες δεδομένων, το HCCA παρέχει μέσα χρονικά περιορισμένων υπηρεσιών. Στο νέο πρότυπο IEEE 8.e, η επιβεβαίωση (ACK) για την επιτυχή μετάδοση των πλαισίων που αποστέλλονται από τους σταθμούς δεν καθίσταται υποχρεωτική. Σημαίνει ότι το επίπεδο MAC δεν θα στείλει πλαίσιο ACK μετά την επιτυχή λήψη ενός πλαισίου δεδομένων. Αυτή η προσέγγιση μειώνει την αξιοπιστία, αλλά η συνολική απόδοση μετάδοσης κίνησης (π.χ. VoIP) αναβαθμίζεται. II. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ EDCA Η λειτουργία EDCA βελτιώνει τη βασική λειτουργία DCF εφαρμόζοντας προτεραιότητες για διαφορετικές κατηγορίες κυκλοφορίας. Το EDCA ορίζει τέσσερις κατηγορίες πρόσβασης (AC), στις οποίες η κίνηση ταξινομείται επιπλέον σε 8 διαφορετικές προτεραιότητες χρηστών κατηγοριών κυκλοφορίας (UP). Η κίνηση στην ίδια τάξη θεωρείται ίσης προτεραιότητας. Ο πίνακας δείχνει την αντιστοίχιση μεταξύ κατηγοριών πρόσβασης και προτεραιοτήτων χρήστη. Τραπέζι. Κατηγορίες κυκλοφορίας (TC) στο IEEE 8.e Χρήστης προτεραιότητας 8.D Κατηγορία πρόσβασης Καθορισμός προτεραιότητας (AC) Ονομασία Χαμηλότερη BE AC_BK Φόντο. BK AC_BK Φόντο. _ AC_BE Καλύτερη προσπάθεια. 3 EE AC_BE Βίντεο. 4 CL AC_VI Βίντεο. 5 VI AC_VI Βίντεο. 6 VO AC_VO Voice Highest 7 NC AC_VO Voice Κάθε AC διαφέρει ανάλογα με την ποικιλία των παραμέτρων και έχει τη δική του ουρά. Η τιμή των παραμέτρων καθορίζει το AC και τον τύπο της κίνησης. Τρεις από τις παραμέτρους είναι κρίσιμες για αυτό το πρότυπο: CW - Παράθυρο διενέξεων - Ένας τυχαίος αριθμός αντλείται από αυτό το διάστημα, ή παράθυρο, για τον μηχανισμό επιστροφής. 539

103Ανάλυση απόδοσης του EDCA σε περιβάλλον πολυμέσων AIFS - Αυθαίρετος χώρος μεταξύ πλαισίων Είναι ίσος με DIFS συν έναν αριθμό χρονοθυρίδων. Η τιμή των AIFS διαφέρει για κάθε κατηγορία επισκεψιμότητας για να βελτιώσει τη διαφοροποίηση με βάση την προτεραιότητα των κλάσεων. Όριο TXOP Μέγιστος χρόνος ηχητικής μετάδοσης, ενός QSTA. Την περίοδο αυτή, το μέσο ανήκει στον σταθμό. Ένας σταθμός μπορεί να υλοποιήσει έως και οκτώ ουρές μετάδοσης που πραγματοποιούνται ως εικονικοί σταθμοί μέσα σε έναν σταθμό, με διαφορετικές παραμέτρους QoS που καθορίζουν τις προτεραιότητές τους [4]. Όταν δύο ή περισσότεροι TC σε έναν μόνο σταθμό αρχίζουν να εκπέμπουν ταυτόχρονα, ένας προγραμματιστής εντός του σταθμού αποφεύγει την εικονική σύγκρουση. Πριν αρχίσει να εκπέμπει ο σταθμός, το στρώμα MAC ταξινομεί την κίνηση σε κατάλληλο AC. Κάθε νέο πλαίσιο MSDU βρίσκει τη θέση του σε κατάλληλο AC. Τα πλαίσια από διαφορετικές κατηγορίες διαγωνίζονται για το EDCF-TXOP. Κάθε κλάση διαφέρει μεταβάλλοντας το ελάχιστο παράθυρο διαμάχης (CWmin) και το διάστημα μεταξύ των πλαισίων που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων. Μια κλάση με μικρότερο προεπιλεγμένο παράθυρο διαφωνίας θα έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μικρότερων διαστημάτων backoff και ως αποτέλεσμα αποκτά προτεραιότητα έναντι ενός σταθμού με μεγαλύτερο CWmin [5]. ΣΤΑΘΜΟΣ AC AC AC3 AC4 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΣΤΑΘΜΟΣ AC AC AC3 AC4 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ.... Το πρόβλημα της διαφοροποίησης της κυκλοφορίας επιλύεται προσθέτοντας πεδίο στην κεφαλίδα MAC που περιγράφει τα χαρακτηριστικά των κυκλοφοριών (Πίνακας 3). Πίνακας 3. Οκτάδες κεφαλίδας IEEE 8.e MAC: n 4 Διάρκεια καρέ Διεύθυνση Ακολουθία διεύθυνσης Διεύθυνση QoS Πλαίσιο FSC Control / ID 3 Control 4 Σώμα ελέγχου Υπάρχει μια επιλογή στο πρότυπο IEEE 8.e που ονομάζεται packet bursting - CFB (Contention Free Bursting ). Αυτή η δυνατότητα, βελτιώνει την απόδοση μικρότερων πακέτων (υπηρεσίες με χρονικό περιορισμό) σε WLAN [6]. Το CFB μειώνει τα γενικά έξοδα και με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η καθυστέρηση και αυξάνεται η απόδοση. Ο σταθμός με συμπεριλαμβανόμενο CFB στέλνει πολλαπλά μικρά πακέτα ως ριπή χωρίς ενδιάμεσο διαμάχη, μόλις ο σταθμός αποκτήσει πρόσβαση στο μέσο. Είναι δυνατή η αποστολή πακέτων σε διαφορετικούς προορισμούς σε ένα πλαίσιο ριπής. Μεταξύ ενός ACK και του επόμενου πακέτου απαιτείται μόνο ένα χρονικό διάστημα SIFS (Short IFS). Επομένως, ο σταθμός διατηρεί τον έλεγχο του μέσου για όλη την έκρηξη (όχι περισσότερο από το TXOP). Η αποστολή πολλών μικρών πακέτων σε μια ριπή αποφεύγει τη διαμάχη για κάθε μεμονωμένο πακέτο και αυξάνει την αποτελεσματικότητα. Ωστόσο, ο χρόνος πρόσβασης του μέσου μπορεί να αυξηθεί επειδή οι εκρήξεις πακέτων καταλαμβάνουν το μέσο για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επομένως το συνολικό jitter και η καθυστέρηση του δικτύου μπορεί να αυξηθούν. Προσαρμόζοντας τις παραμέτρους, ειδικά το TXOP Limit, μπορεί κανείς να βελτιστοποιήσει τη λειτουργία του δικτύου. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΣ ΓΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΜΕΣΩΝ ΜΕ AP Εικ.. Λειτουργία EDCF Στο IEEE 8.e EDCA, διαφορετικά AC χρησιμοποιούν διαφορετικές τιμές AIFS και μέγεθος παραθύρου διαμάχης όταν διεκδικούν την πρόσβαση στο κανάλι. Η τιμή του AIFS εξαρτάται από το εναλλασσόμενο ρεύμα και η τιμή της παραμέτρου χρόνου αδείας εξαρτάται από το χρησιμοποιούμενο στρώμα PHY (στην περίπτωσή μας 8.b). Ο αριθμός των υποδοχών διαδικασίας backoff κατανέμεται ομοιόμορφα τυχαία μεταβλητή μεταξύ και CW-. Το CW είναι το παράθυρο διαφωνίας του οποίου η τιμή είναι μεταξύ CWmin και CWmax. Μετά από κάθε επιτυχημένη μετάδοση, το CW επαναφέρεται στο CWmin και σε κάθε μετάδοση πακέτου αποτυχίας, η διαδικασία backoff διπλασιάζει την τιμή CW έως ότου η τιμή φτάσει στο CWmax. Στο IEEE 8.e οι τιμές των CWmin και CWmax είναι διαφορετικές για κάθε AC και χρησιμοποιούμενο στρώμα PHY (Πίνακας ). Τραπέζι. Παράμετροι για τρεις τύπους κίνησης στο IEEE 8.e Τύπος AC AIFS CWmin CWmax TXOP Limit Voice Video Δεδομένα Ο εικονικός σταθμός του εσωτερικού διαγωνισμού που νικητής έχει το δικαίωμα να ανταγωνιστεί με τους υπόλοιπους νικητές των άλλων σταθμών για μετάδοση μέσω του μέσου. (4) (3) III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Το δίκτυο θα αναλυθεί με χρήση NS (Network Simulator) [7]. Στην πραγματικότητα, αυτός ο προσομοιωτής είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος προσομοιωτής για την ανάλυση των ασύρματων δικτύων. Το σενάριο αποτελείται από ένα σημείο πρόσβασης (AP) που συνδέεται με έναν κεντρικό υπολογιστή μέσω μεταγωγέα και περιβάλλεται από έξι ασύρματους σταθμούς (WS) (Εικ.). Υποθέτουμε δύο κατευθύνσεις του ρεύματος κυκλοφορίας: από το σταθμό προς τον διακομιστή (uplink) και από τον διακομιστή προς το σταθμό (downlink). Θα αναλύσουμε την απόδοση της ανερχόμενης ζεύξης. WS AP () (5) Εικ.. Προσομοιωμένο σενάριο WLAN () (6) 54

104Blagoj Ilievski, Pero Latkoski and Borislav Popovski Table 4 contains the used types of motion and their parameters. The impact of e-patterning on these three different types of movement will be discussed. All stations will send packets with the CFB option turned on. In this scenario, two stations (5 and 6) generate and receive voice traffic (with the highest priority AC4), two stations (3 and 4) generate and receive video traffic (AC). stations and generate and receive data traffic (AC). AP transmits three types of host-generated traffic to wireless nodes (downlink) and also receives three types of traffic from wireless nodes (uplink). Voice and video traffic is assumed to be constant bit rate (CBR). Data traffic is assumed to be FTP traffic. Table 4. Three types of traffic used in the simulation Type Agent/Application Frame size (bytes) Data rate (Mbps) Voice UDP/CBR 3.3 Video UDP/CBR 8 Data TCP/FTP 536 We measure uplink performance and its dependence on frame size, load and the number of active stations in the network. The first parameter to change is the packet size. The network is loaded with 4% capacity. Bandwidth [kbps] VoIP 8.e VoIP Packet size [B] Fig.3. Dependence of voice flow throughput on pck size Lost packets [%] Data, 8. Data, 8.e Packet size [B] Figure 5. Dependence of lost data packets on pck size The simulation results show the opposite behavior when analyzing voice traffic and video. The reason is TXOP, which is lower for voice than TXOP for video traffic. Data traffic with the QoS option applied is very sensitive to packet size changes (Fig.5). The next three figures will give the dependence on the traffic load parameter. Route [kbps] VoIP 8.e with CFB VoIP load [%] fig.6. Providing voice traffic depends on Upload 7 Video, 8. Throughput [kbps] Video, 8. Video, 8.e Traffic [kbps] Video, 8.e Packet size [B] Upload [%] Fig.4. Dependence of video motion performance on pck size Fig.7. Video streaming depends on Loading 54

105Performance analysis of EDCA in a multimedia environment 8 Data, 8. Data, 8.e 7 Data, 8.e Data, Lost packets [%] Lost packets [%] Upload [%] Number of stations Fig.8. Lost data packets depend on the traffic load When we talk about the network load, the e-form shows an improvement over the basic form. For voice, performance does not change significantly (% difference in performance, for 5% and 9% load, Fig. 6). But the other two categories are very sensitive and deteriorate quickly compared to the basic standard (Fig. 7, Fig. 8). The number of stations in the network is another important parameter. When the number of active stations is large, the possibility of collision increases. Bandwidth [kbps] Number of VoIP stations, 8.e VoIP, 8. Fig.9. Dependence of VoIP traffic on the number of stations Traffic [kbps] Video, 8.e Video, Number of stations Fig. Dependence of video traffic on the number of stations Fig. Dependence of lost data packets on the number of active stations When the number of wireless stations in the network increases, the standard gets a chance for the vocal movement in the medium to win. Video and data do not have significant probabilities when the medium is shared by a very large number of stations (Fig. 9 Fig. Fig.). IV. CONCLUSION Our simulator implements a new EDCF function. This feature is an upgrade to wireless stations and enables QoS support. Through simulations, we found that the EDCF shows weakness in low motion classes. It is obvious that high-priority traffic categories dominate the media. The traffic performance of different services is very sensitive to changes in the network (number of stations, traffic load) or packet size. Also, data traffic features are degraded compared to the base model. This implies the requirement for further improvements in the 8th MAC to increase the quality of data traffic compared to the basic standard performance. REFERENCES [] IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specification, IEEE 8.. [] P. Latkoski, Z. Hadzi-Velkov, B. Popovski Extended Model for Performance Analysis of Non-Saturated IEEE 8. DCF in Erroneous Channel, Third IEEE International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Systems (MASS 6), Vancouver, Canada, October 9-6. [3] Qiang Ni, Lamia Romdhani, Thierry Turletti A Review of QoS Improvements for IEEE 8 Wireless LAN, Journal of Wireless Communications and Mobile Computing, Wiley. 4 [4] Sameer Mehta and Amit Goel Enhancing 8th MAC for VoWLAN Integration for Seamless Convergence, IEEE National Symposium on Electronics Technology at Kurukshetra University March 4. Networks, M.T. University of Twente, 4 November. [6] S. Wietholter, C. Hoene, A. Wolisz Perceptual quality of Internet telephony over IEEE 8.e supports improved DCF and collision-free breaking, Berlin, September 7, 4 [7] Network Simulator, 54

106Software Tools and Technologies in Steganography Julijana Mirčevski, Biljana Djokić, Milesa Srećković 3 and Nikola Popović 4 Περίληψη: Στην εργασία εκτέθηκε η εκτίμηση απόδοσης περισσότερων διαθέσιμων εργαλείων προγράμματος για στεγανογραφική εφαρμογή και μέθοδος υλοποίησης μηνυμάτων. Τα αποτελέσματα ταξινομήθηκαν και απεικονίστηκαν με τις δοκιμασμένες διαδικασίες. Η δημιουργία, η υλοποίηση και η ανίχνευση μηνυμάτων εμφανίστηκαν στο εργαλείο προγραμμάτων που λειτουργούν σε περιβάλλον Visual Basic. Λέξεις κλειδιά: στεγανογραφία, αόρατη επικοινωνία, ενσωμάτωση μηνυμάτων, ανίχνευση στεγανογραφικών αρχείων, μετασχηματισμός κυματιδίων I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η στεγανογραφία ως τρόπος αόρατης επικοινωνίας είναι πολύ παρούσα στην τρέχουσα διαδικτυακή επικοινωνία. Διατίθεται ένας αριθμός στεγανογραφικών εφαρμογών με διάφορες επιδόσεις στον τομέα υλοποίησης μηνυμάτων, απαιτήσεις συστήματος, ασφάλεια κωδικοποίησης και αξιοπιστία εκτέλεσης. Η βάση δεδομένων ψηφιακού περιεχομένου απαιτεί πιο πολύπλοκα εργαλεία λογισμικού για αναζήτηση, ανάλυση, συμπίεση και αναπαραγωγή. Η θεωρία κυματιδίων παρέχει τους γρήγορους διακριτούς αλγόριθμους κατάλληλους για εφαρμογές προγραμματισμού υπολογιστών. Η σαφής μαθηματική θεωρία είναι μια καλή βάση για τη δημιουργία ενός περιβάλλοντος προγραμμάτων και ενός αριθμού πακέτων προγραμμάτων. Η εφαρμογή μετασχηματισμού wavelet είναι άστοχη χωρίς πακέτο λογισμικού προγραμματισμού, αλλά τα πιο χρησιμοποιούμενα είναι τα WaveLab, LastWave, MegaWave i Rice Wavelet Toolbox. Επειδή τα αναφερόμενα προϊόντα λογισμικού ανήκουν στην κατηγορία λογισμικού ελεύθερου λογισμικού, είναι δυνατή η χρήση του με νομιμότητα εγγραφής. Η στεγανογραφία κρύβει το κρυφό μήνυμα αλλά όχι το γεγονός ότι δύο μέρη επικοινωνούν μεταξύ τους []. Η διαδικασία στεγανογραφίας γενικά περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενός κρυφού μηνύματος σε κάποιο μέσο μεταφοράς, που ονομάζεται φορέας. Το μυστικό μήνυμα είναι ενσωματωμένο στον φορέα για να σχηματίσει το μέσο στεγανογραφίας. Η χρήση ενός κλειδιού στεγανογραφίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κρυπτογράφηση του κρυφού μηνύματος και/ή για την τυχαιοποίηση στο σχήμα στεγανογραφίας. Συνοπτικά: steganography_medium = hidden_message + carrier + steganography_key Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το σχήμα συστηματοποίησης στεγανογραφίας σύμφωνα με το []. Μόνο τα κύρια στοιχεία θα επεξηγηθούν σε κείμενο. Julijana Mirčevski, Informatička škola Educon, Beograd, Biljana Djokić, Informatička škola Educon, Beograd, djokicb@eunet.yu 3 Milesa Srećković, Elektrotehrugdita@ .ac.yu 4 Nikola Popović, Ministarstvo inostranih poslova, Beograd Εικ.. Ταξινόμηση Τεχνικών Στεγανογραφίας -Η τεχνική στεγανογραφία χρησιμοποιεί επιστημονικές μεθόδους για την απόκρυψη ενός μηνύματος, όπως η χρήση αόρατου μελανιού ή μικροκουκκίδων και άλλες μεθόδους μείωσης μεγέθους. - Η γλωσσική στεγανογραφία κρύβει το μήνυμα στον φορέα με κάποιους μη προφανείς τρόπους και κατηγοριοποιείται περαιτέρω ως σηματογραφήματα ή ανοιχτοί κώδικες. - Τα Semagrams κρύβουν πληροφορίες με τη χρήση συμβόλων ή πινακίδων. Ένα οπτικό σημαγράφημα χρησιμοποιεί αθώα ή καθημερινά φυσικά αντικείμενα για να μεταφέρει ένα μήνυμα, όπως σκετσάκια ή τοποθέτηση αντικειμένων σε ένα γραφείο ή έναν ιστότοπο. Ένα semagram κειμένου αποκρύπτει ένα μήνυμα τροποποιώντας την εμφάνιση του κειμένου φορέα, όπως ανεπαίσθητες αλλαγές στο μέγεθος ή τον τύπο γραμματοσειράς, την προσθήκη επιπλέον κενών ή διαφορετικών εμφανίσεων σε γράμματα ή χειρόγραφο κείμενο. - Οι ανοιχτοί κωδικοί κρύβουν ένα μήνυμα σε ένα νόμιμο μήνυμα φορέα με τρόπους που δεν είναι προφανείς σε έναν ανυποψίαστο παρατηρητή. Το μήνυμα φορέα ονομάζεται μερικές φορές φανερή επικοινωνία, ενώ το κρυφό μήνυμα είναι η κρυφή επικοινωνία. Αυτή η κατηγορία υποδιαιρείται σε κωδικούς ορολογίας και καλυμμένους κρυπτογράφους. - Ο κώδικας Jargon, όπως υποδηλώνει το όνομα, χρησιμοποιεί γλώσσα που είναι κατανοητή από μια ομάδα ανθρώπων αλλά δεν έχει νόημα για τους άλλους. Οι κώδικες jargon περιλαμβάνουν warchalking (σύμβολα που χρησιμοποιούνται για να υποδείξουν την παρουσία και τον τύπο του σήματος ασύρματου δικτύου [3]), την υπόγεια ορολογία ή μια αθώα συνομιλία που μεταφέρει ιδιαίτερο νόημα λόγω γεγονότων που είναι γνωστά μόνο στους ομιλητές. Ένα υποσύνολο κωδικών ορολογίας είναι οι κώδικες υπόδειξης, όπου ορισμένες προκαθορισμένες φράσεις μεταφέρουν νόημα. - Οι καλυμμένοι ή κρυπτογραφημένοι κρυπτογράφηση κρύβουν ένα μήνυμα ανοιχτά στο φορέα, ώστε να μπορεί να ανακτηθεί από οποιονδήποτε γνωρίζει το μυστικό για τον τρόπο απόκρυψής του. Ένας κρυπτογράφηση πλέγματος χρησιμοποιεί ένα πρότυπο που χρησιμοποιείται για να καλύψει το μήνυμα του φορέα. 543

107Λογισμικά Εργαλεία και Τεχνολογίες στη Στεγανογραφία II. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι τεχνικές απόκρυψης δεδομένων θα πρέπει να μπορούν να ενσωματώνουν [3] δεδομένα σε ένα σήμα κεντρικού υπολογιστή με τους ακόλουθους περιορισμούς και χαρακτηριστικά:. Το σήμα κεντρικού υπολογιστή θα πρέπει να υποβαθμίζεται χωρίς αντιρρήσεις και τα ενσωματωμένα δεδομένα θα πρέπει να είναι ελάχιστα αντιληπτά. (Ο στόχος είναι τα δεδομένα να παραμείνουν κρυφά. Όπως θα σας πει οποιοσδήποτε μάγος, είναι πιθανό κάτι να είναι κρυφό ενώ παραμένει σε κοινή θέα, απλώς εμποδίζετε το άτομο να το κοιτάξει. Θα χρησιμοποιήσουμε τις λέξεις κρυμμένο, αόρατο, μη αντιληπτό και αόρατο που σημαίνει ότι ένας παρατηρητής δεν παρατηρεί την παρουσία των δεδομένων, ακόμα κι αν είναι αντιληπτά.). Τα ενσωματωμένα δεδομένα θα πρέπει να κωδικοποιούνται απευθείας στο μέσο, ​​αντί σε μια κεφαλίδα ή περιτύλιγμα, έτσι ώστε τα δεδομένα να παραμένουν ανέπαφα σε διάφορες μορφές αρχείων δεδομένων. 3. Τα ενσωματωμένα δεδομένα θα πρέπει να είναι απρόσβλητα σε τροποποιήσεις που κυμαίνονται από σκόπιμες και έξυπνες προσπάθειες αφαίρεσης έως αναμενόμενους χειρισμούς, όπως θόρυβος καναλιού, φιλτράρισμα, επαναδειγματοληψία, περικοπή, κωδικοποίηση, συμπίεση με απώλειες, εκτύπωση και σάρωση, ψηφιακό σε αναλογικό (D /A) μετατροπή, και αναλογική-ψηφιακή (A/D) μετατροπή και άλλα. 4. Η ασύμμετρη κωδικοποίηση των ενσωματωμένων δεδομένων είναι επιθυμητή, καθώς ο σκοπός της απόκρυψης δεδομένων είναι να διατηρηθούν τα δεδομένα στο σήμα κεντρικού υπολογιστή, αλλά όχι απαραίτητα να γίνει δύσκολη η πρόσβαση στα δεδομένα. 5. Η κωδικοποίηση διόρθωσης σφαλμάτων θα πρέπει να χρησιμοποιείται για τη διασφάλιση της ακεραιότητας των δεδομένων. Είναι αναπόφευκτο ότι θα υπάρξει κάποια υποβάθμιση στα ενσωματωμένα δεδομένα όταν τροποποιηθεί το σήμα κεντρικού υπολογιστή. 6. Τα ενσωματωμένα δεδομένα θα πρέπει να είναι αυτοχρονισμένα ή αυθαίρετα επανεισαγωγή [3], [4]. Αυτό διασφαλίζει ότι τα ενσωματωμένα δεδομένα μπορούν να ανακτηθούν όταν είναι διαθέσιμα μόνο θραύσματα του σήματος κεντρικού υπολογιστή, π.χ., εάν εξαχθεί ένα δάγκωμα ήχου από μια συνέντευξη, τα δεδομένα που είναι ενσωματωμένα στο τμήμα ήχου μπορούν να ανακτηθούν. Αυτή η δυνατότητα διευκολύνει επίσης την αυτόματη αποκωδικοποίηση των κρυφών δεδομένων, καθώς δεν υπάρχει ανάγκη αναφοράς στο αρχικό σήμα κεντρικού υπολογιστή. Υπάρχουν αντισταθμίσεις μεταξύ της ποσότητας των ενσωματωμένων δεδομένων και του βαθμού ανοσίας στην τροποποίηση του σήματος του κεντρικού υπολογιστή. Περιορίζοντας τον βαθμό υποβάθμισης του σήματος κεντρικού υπολογιστή, μια μέθοδος απόκρυψης δεδομένων μπορεί να λειτουργήσει είτε με υψηλό ενσωματωμένο ρυθμό δεδομένων είτε με υψηλή αντίσταση στην τροποποίηση, αλλά όχι και τα δύο. Όσο αυξάνεται το ένα, πρέπει να μειώνεται το άλλο. Αν και αυτό μπορεί να αποδειχθεί μαθηματικά για ορισμένα συστήματα απόκρυψης δεδομένων, όπως ένα φάσμα διασποράς, φαίνεται να ισχύει για όλα τα συστήματα απόκρυψης δεδομένων. Σε οποιοδήποτε σύστημα, μπορείτε να ανταλλάξετε το εύρος ζώνης για στιβαρότητα, εκμεταλλευόμενοι τον πλεονασμό. Η ποσότητα των ενσωματωμένων δεδομένων και ο βαθμός τροποποίησης του σήματος κεντρικού υπολογιστή ποικίλλουν από εφαρμογή σε εφαρμογή. Κατά συνέπεια, χρησιμοποιούνται διαφορετικές τεχνικές για διαφορετικές εφαρμογές [5]. Σε αυτή την ενότητα συζητούνται διάφορες πιθανές εφαρμογές απόκρυψης δεδομένων. Μια εφαρμογή που απαιτεί ελάχιστη ποσότητα ενσωματωμένων δεδομένων είναι η τοποθέτηση ψηφιακού υδατοσήμου. Τα ενσωματωμένα δεδομένα χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση ένδειξης ιδιοκτησίας στο σήμα κεντρικού υπολογιστή, εξυπηρετώντας τον ίδιο σκοπό με την υπογραφή του συγγραφέα ή ένα λογότυπο εταιρείας. Δεδομένου ότι οι πληροφορίες είναι κρίσιμης φύσης και το σήμα μπορεί να αντιμετωπίσει έξυπνες και σκόπιμες προσπάθειες καταστροφής ή αφαίρεσής τους, οι τεχνικές κωδικοποίησης που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι απρόσβλητες σε μια μεγάλη ποικιλία πιθανών τροποποιήσεων. Μια δεύτερη εφαρμογή για την απόκρυψη δεδομένων είναι η προστασία από παραβιάσεις. Χρησιμοποιείται για να υποδείξει ότι το σήμα κεντρικού υπολογιστή έχει τροποποιηθεί από την κατάσταση συντάξεως του. Η τροποποίηση στα ενσωματωμένα δεδομένα υποδεικνύει ότι το σήμα κεντρικού υπολογιστή έχει αλλάξει με κάποιο τρόπο. Μια τρίτη εφαρμογή, η τοποθεσία χαρακτηριστικών, απαιτεί την ενσωμάτωση περισσότερων δεδομένων. Σε αυτήν την εφαρμογή, τα ενσωματωμένα δεδομένα είναι κρυμμένα σε συγκεκριμένες θέσεις μέσα σε μια εικόνα. Επιτρέπει σε κάποιον να αναγνωρίσει μεμονωμένα χαρακτηριστικά περιεχομένου, π.χ. το όνομα του ατόμου στα αριστερά έναντι της δεξιάς πλευράς μιας εικόνας. Συνήθως, τα δεδομένα τοποθεσίας χαρακτηριστικών δεν υπόκεινται σε σκόπιμη κατάργηση. Ωστόσο, αναμένεται ότι το σήμα κεντρικού υπολογιστή μπορεί να υποβληθεί σε έναν ορισμένο βαθμό τροποποίησης, π.χ., οι εικόνες τροποποιούνται συνήθως με κλιμάκωση, περικοπή και βελτίωση της κλίμακας τόνου. Ως αποτέλεσμα, οι τεχνικές απόκρυψης δεδομένων θέσης χαρακτηριστικών πρέπει να είναι απρόσβλητες σε γεωμετρικές και άλλες μη γεωμετρικές τροποποιήσεις σήματος. III. ΜΕΘΟΔΟΙ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΦΟΡΕΑ Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να κρυφτούν τα μηνύματα στα ψηφιακά μέσα. Η πιο κοινή μέθοδος στεγανογραφίας σε αρχεία ήχου και εικόνας χρησιμοποιεί κάποιο είδος λιγότερο σημαντικής αντικατάστασης ή αντικατάστασης bit. Ο λιγότερο σημαντικός όρος bit προέρχεται από την αριθμητική σημασία των bit σε ένα byte. Το υψηλής τάξης ή το πιο σημαντικό bit είναι αυτό με την υψηλότερη αριθμητική τιμή (δηλαδή, 7 =8), ενώ το bit χαμηλής τάξης ή λιγότερο σημαντικό είναι αυτό με τη χαμηλότερη αριθμητική τιμή (δηλαδή, =). Ως απλό παράδειγμα αντικατάστασης bit λιγότερο σημαντικής σημασίας, φανταστείτε να "κρύβετε" τον χαρακτήρα "G" στα ακόλουθα οκτώ byte ενός αρχείου φορέα (τα λιγότερο σημαντικά bit είναι υπογραμμισμένα): Το "G" αντιπροσωπεύεται στον Αμερικανικό Τυπικό Κώδικα Πληροφοριών Ανταλλαγή (ASCII) ως δυαδική συμβολοσειρά. Αυτά τα οκτώ bit μπορούν να "γραφούν" στο λιγότερο σημαντικό bit καθενός από τα οκτώ byte φορέα ως εξής: Στο παραπάνω δείγμα, μόνο τα μισά από τα λιγότερο σημαντικά bit άλλαξαν στην πραγματικότητα (εμφανίζονται παραπάνω με πλάγιους χαρακτήρες και χρώμα). Αυτό έχει κάποιο νόημα όταν ένα σύνολο μηδενικών και μονάδων αντικαθίσταται με ένα άλλο σύνολο μηδενικών και μονάδων. Η λιγότερο σημαντική αντικατάσταση bit μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντικατάσταση νόμιμων κωδικοποιήσεων χρώματος RGB ή δεικτών παλέτας σε αρχεία GIF και BMP, συντελεστών σε αρχεία JPEG και επιπέδων διαμόρφωσης κώδικα παλμού σε αρχεία ήχου. Με την αντικατάσταση του λιγότερο σημαντικού bit, η αριθμητική τιμή του byte αλλάζει πολύ λίγο και είναι λιγότερο πιθανό να ανιχνευθεί από το ανθρώπινο μάτι ή το αυτί. Η λιγότερο σημαντική αντικατάσταση bit είναι μια απλή, αν και κοινή, τεχνική για τη στεγανογραφία. Η χρήση του, ωστόσο, δεν είναι απαραίτητα τόσο απλοϊκή όσο ακούγεται η μέθοδος. Μόνο το πιο αφελές λογισμικό στεγανογραφίας θα αντικαθιστούσε απλώς κάθε λιγότερο σημαντικό κομμάτι με κρυφά δεδομένα. Σχεδόν όλοι χρησιμοποιούν 544

108Η Julijana Mirčevski, η Biljana Djokić, η Milesa Srećković και ο Nikola Popović προσφέρουν κάποιο τρόπο για να τυχαιοποιήσουν τα πραγματικά bit στο αρχείο φορέα που έχουν τροποποιηθεί. Αυτός είναι ένας από τους παράγοντες που καθιστούν τις ανιχνεύσεις στεγανογραφίας τόσο δύσκολες. Όλες οι στεγανογραφικές μέθοδοι προσπαθούν να επιτύχουν την ελάχιστη ποσότητα τροποποίησης προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν τις αλλαγές της προβολής μέσω της εισαγωγής ανιχνεύσιμων τεχνουργημάτων. Ωστόσο, εάν η εικόνα εξωφύλλου είχε αρχικά αποθηκευτεί σε μορφή JPEG (όπως συμβαίνει συχνά), η ενσωμάτωση μηνύματος στον χωρικό τομέα θα διαταράξει αλλά δεν θα διαγράψει τη χαρακτηριστική δομή που δημιουργείται από τη συμπίεση JPEG. Είναι δυνατή η ανάκτηση του πίνακα μορφής JPEG από το stego-image αναλύοντας προσεκτικά τις τιμές των συντελεστών DCT σε όλα τα μπλοκ. Μετά την ενσωμάτωση του μηνύματος, η εικόνα εξωφύλλου θα γίνει, με μεγάλη πιθανότητα, να γίνει καθαρή εικόνα και, ωστόσο, να μην είναι πλήρως συμβατή με τη μορφή JPEG. Αυτό μπορεί να υποδειχθεί το αρχείο στεγανογραφίας. IV. ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΣΤΕΓΑΝΟΓΡΑΦΙΚΟΥ Υπάρχουν σήμερα διαθέσιμα στο Διαδίκτυο μια σειρά από εργαλεία στεγανογραφικού λογισμικού και στεγανογραφικές τεχνικές [ ]. Μπορεί να κυμαίνονται από δωρεάν λογισμικό έως εμπορικά προϊόντα υψηλής τιμής. Τα περισσότερα από αυτά είναι δημιουργίες ερασιτεχνών ενθουσιωδών που διατίθενται δωρεάν ενώ άλλα είναι προϊόντα ιδιωτικών εταιρειών και μπορούν να αγοραστούν με μικρή χρέωση. Η πολύ σημαντική λειτουργία του λογισμικού ανίχνευσης στεγανογραφίας είναι η εύρεση πιθανών αρχείων φορέα. Στην ιδανική περίπτωση, το λογισμικό ανίχνευσης θα παρείχε επίσης κάποιες ενδείξεις σχετικά με τον αλγόριθμο στεγανογραφίας που χρησιμοποιείται για την απόκρυψη πληροφοριών στο ύποπτο αρχείο, έτσι ώστε ο αναλυτής να μπορεί να επιχειρήσει ανάκτηση των κρυμμένων πληροφοριών. Η ανίχνευση λογισμικού στεγανογραφίας συνεχίζει να γίνεται πιο δύσκολη για έναν άλλο λόγο, το μικρό μέγεθος του λογισμικού σε συνδυασμό με την αυξανόμενη χωρητικότητα αποθήκευσης των αφαιρούμενων μέσων. Το S-Tools, για παράδειγμα, απαιτεί λιγότερο από 6 KB χώρο στο δίσκο και μπορεί να εκτελεστεί απευθείας, χωρίς πρόσθετη εγκατάσταση, από δισκέτα ή κλειδί μνήμης USB. Υπό αυτές τις συνθήκες, δεν θα βρεθούν υπολείμματα του προγράμματος στον σκληρό δίσκο. Στο κείμενο που ακολουθεί, θα υπάρχουν μερικά μικρά και ισχυρά εργαλεία λογισμικού. Το ChinCrypt είναι ένα μικρό και εύκολο στη χρήση πρόγραμμα κειμένου για κρυπτογράφηση δεδομένων. Μπορεί να κρυπτογραφήσει ένα αρχείο κειμένου, ένα εκτελέσιμο αρχείο ή ένα αρχείο εικόνας κ.λπ. Το ChinCrypt έχει μέγεθος kb και λειτουργεί σε Windows, Linux και Unix. Το Gifshuffle είναι ένα πρόγραμμα μόνο στη γραμμή εντολών για Windows που κρύβει μηνύματα σε εικόνες GIF ανακατεύοντας το χρωματολόγιο. Η εικόνα παραμένει εμφανώς άθικτη, αλλάζει μόνο η σειρά χρώματος μέσα στην παλέτα. Λειτουργεί με όλες τις εικόνες GIF, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με διαφάνεια και κινούμενα σχέδια, και επιπλέον παρέχει συμπίεση και κρυπτογράφηση του κρυφού μηνύματος. Το Gifshuffle v. είναι δωρεάν λογισμικό και απαιτεί μόνο 33 kB. Το JPegX είναι ένα πρόγραμμα κρυπτογράφησης που κρύβει σημαντικές πληροφορίες μέσα σε τυπικά αρχεία εικόνας JPEG. Η εικόνα παραμένει οπτικά αμετάβλητη και τα μηνύματα κρυπτογραφούνται και προστατεύονται με κωδικό πρόσβασης. Για να αποκρυπτογραφήσετε το μήνυμα, πρέπει να ανοίξετε το αρχείο JPEG που το περιέχει και να εισαγάγετε τον κωδικό πρόσβασης εάν σας ζητηθεί. Το JPegX είναι μέγεθος 8 kB και κατηγορία δωρεάν λογισμικού. Το Shadow είναι ο ισχυρός κωδικοποιητής/αποκωδικοποιητής δεδομένων που έχει τη δυνατότητα να κωδικοποιεί/αποκωδικοποιεί τα πάντα και οτιδήποτε ταιριάζει στον/στην μονάδα σκληρού δίσκου του υπολογιστή. Μπορεί να είναι κωδικοποιημένα κείμενα, εικόνες, ταινίες, μουσική, εφαρμογές και ούτω καθεξής. Τα Windows απαιτούνται για την εκτέλεση Shadow και το μέγεθος του προγράμματος είναι περίπου 56 kB. Το Hide4PGP v. είναι ένα στεγανογραφικό πρόγραμμα γραμμής εντολών για Windows, DOS, OS/ και Linux που κρύβει δεδομένα σε αρχεία BMP, WAV και VOC. Έχει σχεδιαστεί για χρήση τόσο με PGP όσο και με Stealth, αλλά λειτουργεί καλά και ως αυτόνομο πρόγραμμα. Εκδοχή. έχει πολλά νέα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης μιας νέας μορφής stego, η οποία είναι πολύ πιο ανθεκτική έναντι των μετατροπών μορφών - μόνο οι μορφές συμπίεσης με απώλειες θα χάσουν τα κρυφά δεδομένα. Η πηγή περιλαμβάνεται επίσης και θα πρέπει να μεταγλωττιστεί σε οποιαδήποτε πλατφόρμα χωρίς μεγάλα προβλήματα.hide4pgpv. έχει μέγεθος 4kB και δωρεάν λογισμικό. V. ΤΟ ΚΡΥΦΟ ΜΗΝΥΜΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ ΣΕ ΕΙΚΟΝΑ Η πρακτική εφαρμογή της στεγανογραφίας εκτελέστηκε με πρόγραμμα που υλοποιήθηκε σε περιβάλλον Visual Basic 6 (VB6). Το πρόγραμμα είναι πολύ απλή εφαρμογή χωρίς πρόθεση να επιδείξει υψηλή απόδοση προγραμματισμού. Αυτό το πρόγραμμα δεν είναι συγκρίσιμο με τα γνωστά στεγανογραφικά εργαλεία, με την προαναφερθείσα έννοια. Τα σημαντικά χαρακτηριστικά αυτού του προγράμματος είναι η απλή υλοποίηση, η μεγάλη δυνατότητα τροποποίησης και η πολύ απλή χρήση [6]. Το πρόγραμμα υλοποιείται με σκοπό να εμπλουτίσει την πρακτική προσέγγιση στην κατανόηση των θεμελιωδών διαδικασιών για τη συγγραφή κρυφών μηνυμάτων σε μια εικόνα. Η παρακάτω εικόνα περιέχει το κρυφό μήνυμα: Breza do hramot, osvetlena od sveki livčinja raga. Εικ.. Το αρχείο εικόνας JPEG που περιέχει κρυφό μήνυμα Κάθε pixel της παραπάνω εικόνας έχει εκχωρήσει την κατάλληλη τιμή χρώματος. Το κείμενο ενσωματώθηκε στην εικόνα μέσω αλλαγής των προηγούμενων τιμών χρώματος. Για αυτό χρησιμοποιήθηκαν οι λειτουργίες VB6 SetPixel και GetPixel. Η προσέγγιση ξεκινά με το άνοιγμα νέων μορφών στο περιβάλλον VB6 [6], [7]. Ξεκινά ένα πλαίσιο κειμένου και του εκχωρείται όνομα και στη συνέχεια ένα πλαίσιο λίστας, επίσης. Αυτοί ονόμαζαν Textprvi και Listaprva. Περαιτέρω, εισάγει ένα κουτί εικόνων και ονομάζεται Πρβασλίκα. Η λειτουργία κλίμακας αυτού του πλαισίου πρέπει να οριστεί στο εικονοστοιχείο και η παράμετρος να τραβάει αυτόματα την πραγματική τιμή. Έβαλε στο πρόγραμμα τον έλεγχο Common Dialog και τη λειτουργία ελέγχου Active X. Ο τρόπος ανάγνωσης της εικόνας λύθηκε με την ίδια διαδικασία. Υπάρχουν καθορισμένες εντολές για την αποκωδικοποίηση, την κωδικοποίηση, τη γραφή και την ανάγνωση εικόνας. Η εικόνα προστέθηκε στο καθεστώς σχεδίασης, λειτουργία ιδιοτήτων. Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών δοκιμής χρησιμοποιήθηκαν και τα δύο: μια μορφή εικόνας JPEG και ένα αρχείο bitmaps. Ειδικά γράφεται το 545

109Part of the software tools and technologies in a steganography program that creates a data file from an image file. The goal of this subroutine is to convert an image file into a hexadecimal date file. This hexadecimal date code file is created for clear image and steganographic image. By comparing these files, the differences between the files are clearly visible because the hexadecimal code of the steganographic image contains secret data [7]. Although even a trained eye would not know the difference, it will visually change the statistical properties of the pixel values ​​of the before and after photo. Hexadecimal data files are also different. Steganographic Image Clear Image FEFEFE FFFFF F8F8EC F8F8F8 F4F4E F4F4F4 8 AA99 AAA B BAF BAC 3 5 A F9 F C 7 9 ABAAA6 ABAAC 6 F9F8E8 F9F8FA 8 FFCFFCF FDE9 FDFDFD 3 4 F8F7F9 FDFDFD 39 FAF9E FAF9FB 7 FDFCEF FDFCFE 5 FEFDEC FEDFFF 9 F9F8E4 F9F8FA FCFBF4 FCFBFD 9 FFFEEB FFFEFF F3 FCFBFD FCFBE FCFBFD 7 FCFBEA FCFBFD 9 FCFBE7 FCFBFD FEFEFE FFFFFF F9F9F9 F8F8F FFFFFF F4F4F FFFFFF AAA CECDCF BAC F E3D4 F ACABAF 39383C FCFBFD ABAAAC FFFEFF F9F8FA F 7F7F7 FCFCFC FCFCFC FCFCFC FFFFE F8F9F F 7F8F6 FDFDFD F8F7F9 FDFDFD 39 F6F5F7 FAF7FFF3FFFFF 86 F8F7F9 F9F8FA FBFAFC FCFBFD FCFBFD FFFEFF F3FF4 FBFAFC FAF9FB FCFBFD 3586 FAF9FB FCFBFD 3586 FAF9FB FCFBFD 3586 FAF9FBFBFBFD 9FB FCFBFD 3586 FAF9FB FCFBFD 3586 Table. The contents of the file with the hexadecimal data for the steganographic image and the clear image The written program code is located in the code window. The user interface is designed very simply and available only with the necessary functionality. The user interface is shown in Figure 3. VI. CONCLUSION Invisible communication is very present today in complete online virtual communication. Two important uses of data hiding in digital media are to provide proof of copyright and to ensure content integrity. Other data hiding applications, such as augmentation data inclusion, do not need to be immutable to detection or removal, as the data is there for the benefit of both content creators and users. Figure 3. User interface with a message during embedding Thus, the techniques used to hide data vary according to the amount of data to be hidden and the required invariant variability of that data to be manipulated [8]. Since no single method is capable of achieving all of these goals, a process class is needed to cover the range of possible applications. The technical challenges of hiding data are enormous. Any holes that need to be filled with data in the main signal, either statistical or perceptual, are potential targets for removal by lossy signal compression. The key to successful data hiding is finding holes that are not suitable for compression algorithms to exploit. REFERENCES [] Ames Laboratory, Finding Computer Files Hidden In Plain Sight, May 4, 6 [] Gary C. Kessler, An Overview of Steganography for the Computer Forensicist, Forensic Science Communications, July 4, Volume 6, Issue 3, Page -7 [3] Bauer, F. L. Secrets Deciphered: The Methods and Maxims of Cryptology, 3rd ed. Springer-Verlag, New York,. [4] Artz, D. Digital Steganography: Hiding Data in Data, IEEE Internet Computing, Vol. 3, page [5] Farid, H. Detecting steganographic messages in Digital Images, Technical Report TR- 4, Dartmouth College, Computer Science Department, [6] Julijana Mirčevski, Biljana Djokić, Nikola Popović, Modern software techniques in the detection of hidden means , II ZITEH Conference, Tara, November 6 [7] Julijana Mirčevski, Biljana Djokić, Nikola Popović, Software based on wavelet transformation suitable for analysis of digital content, V scientific-expert meeting New technologies and standards: digitalization, -3 . June, Belgrade [8] Steganography, hiding text in images, 546

110SESSION CS&R Control Systems and Robotics


112Καταρράκτης συγχρονισμός χαοτικών συστημάτων με βάση τη γραμμική-μη γραμμική αποσύνθεση Dragomir P. Chantov Περίληψη Σε αυτή την εργασία προτείνεται μια μέθοδος καταρράκτη συγχρονισμού τριών ή περισσότερων χαοτικών συστημάτων. Η μέθοδος βασίζεται στη λεγόμενη Γραμμική-Μη Γραμμική αποσύνθεση των συστημάτων. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η δυνατότητα για ακριβή ανάλυση της σταθερότητας της πολλαπλής συγχρονισμού, επειδή τα συστήματα σφαλμάτων είναι πάντα γραμμικά. Προτείνονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής της μεθόδου σε ένα πολύ γνωστό συνεχές χαοτικό σύστημα (το σύστημα Chua). Λέξεις-κλειδιά Χαοτικός συγχρονισμός, Διαδοχικός συγχρονισμός, Γραμμική-Μη γραμμική αποσύνθεση, Μονόδρομη σύζευξη. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα από τα πιο συγκεκριμένα και ταυτόχρονα ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πεδία της μη γραμμικής δυναμικής είναι η θεωρία του χάους. Τα τελευταία 7 χρόνια (μετά το 99) γίνεται μεγάλη προσπάθεια σε δύο βασικές τάσεις στη θεωρία του χάους - τον συγχρονισμό των χαοτικών συστημάτων και τον έλεγχο αυτών των συστημάτων []. Το κύριο πρακτικό όφελος του χαοτικού συγχρονισμού έγκειται στο γεγονός ότι αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις ασφαλείς επικοινωνίες για την προστασία (απόκρυψη) των μεταδιδόμενων πληροφοριών από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση []. Ο συγχρονισμός καταρράκτη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα υποπεδίο του συγχρονισμού χάους, με το οποίο τρία ή περισσότερα χαοτικά συστήματα πρέπει να συγχρονιστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να εξελίσσονται πανομοιότυπα αλλά ταυτόχρονα χαοτικά στο χώρο των φάσεων. Υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι συγχρονισμού χαοτικών συστημάτων, αντίστοιχα για καταρράκτη συγχρονισμού τέτοιων συστημάτων [3]. Είναι σύνηθες ότι λόγω του γεγονότος ότι όλα τα χαοτικά συστήματα είναι μη γραμμικά συστήματα, δεν υπάρχει καθολική μέθοδος συγχρονισμού, η οποία να μπορεί πάντα να εφαρμοστεί και να εγγυάται τον συγχρονισμό για ένα συγκεκριμένο σύστημα. Ως εκ τούτου, το έργο της αναζήτησης νέων προσεγγίσεων ή νέων τροποποιήσεων των υφιστάμενων, που ξεπερνούν ορισμένα από τα μειονεκτήματα ή τους περιορισμούς τους, συνεχίζεται τα τελευταία χρόνια. Σε αυτή την εργασία ο συγγραφέας προτείνει μια τροποποίηση της μεθόδου γραμμικής-μη γραμμικής αποσύνθεσης (LND) για συγχρονισμό χαοτικών συστημάτων, με την οποία στα συστήματα Slave εισάγεται το βοηθητικό σήμα οδήγησης, ανάλογο με τη συνάρτηση διαφοράς. Έτσι ο κύριος περιορισμός του Η μέθοδος LND (μόνο μία παραλλαγή για τη σύζευξη των συστημάτων, η οποία για τα περισσότερα γνωστά χαοτικά συστήματα δεν εγγυάται σταθερό συγχρονισμό) ξεπερνιέται από τη μεγάλη ποικιλία βοηθητικών συνδέσμων, που ενισχύουν την πιθανότητα επίτευξης σταθερού συγχρονισμού. Ταυτόχρονα, η προτεινόμενη προσέγγιση, που ονομάζεται τροποποιημένη γραμμική-μη γραμμική μέθοδος αποσύνθεσης (MLND), διατηρεί το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου LND, που είναι η δυνατότητα ακριβούς ανάλυσης της σταθερότητας της πολλαπλής συγχρονισμού. Αυτό εξαρτάται από το γεγονός ότι το σύστημα διαφοράς (συστήματα), σε αντίθεση με όλες τις άλλες μεθόδους συγχρονισμού, είναι πάντα γραμμικό. Η προτεινόμενη μέθοδος έχει δοκιμαστεί προηγουμένως σε απλό συγχρονισμό δύο χαοτικών συστημάτων. Σε αυτή την εργασία εφαρμόζεται η μέθοδος MLND για την επίτευξη σειριακού συγχρονισμού καταρράκτη τριών ή περισσότερων χαοτικών συστημάτων. Προτείνονται τα αποτελέσματα για το χαοτικό σύστημα Chua. II. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ-ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΥΝΘΕΣΕΩΣ ΓΙΑ ΚΑΤΑΡΙΚΤΙΚΟ ΧΑΟΤΙΚΟ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟ Α. Καταρρακτικός συγχρονισμός χαοτικών συστημάτων Ο χαοτικός συγχρονισμός είναι ένα φαινόμενο, κατά το οποίο δύο πανομοιότυπα (συχνότερα) χαοτικά συστήματα συντονίζουν τη δυναμική τους μεταξύ τους και εξελίσσονται με τον ίδιο τρόπο στο χώρο. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις επικοινωνίες για την ασφάλεια των μεταδιδόμενων πληροφοριών []. Για πιο σύνθετα συστήματα επικοινωνίας, ο δέκτης και ο πομπός μπορεί να είναι συστοιχίες συζευγμένων τριών ή περισσότερων χαοτικών συστημάτων, ή μπορεί να υπάρχουν ένα ή περισσότερα χαοτικά συστήματα διαμεσολαβητών μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Το γεγονός αυτό προϋποθέτει την ανάπτυξη του υποπεδίου του καταρράκτη χαοτικού συγχρονισμού. Με τον πιο συχνό τύπο καταρράκτη συγχρονισμού τρία ή περισσότερα πανομοιότυπα χαοτικά συστήματα συνδέονται διαδοχικά και αναζητείται η κατάλληλη σύζευξη για να επιτευχθεί σταθερός συγχρονισμός μεταξύ των συστημάτων. Το πρώτο σύστημα ονομάζεται Master system, το δεύτερο - Slave, αλλά είναι επίσης ένα Master system για το επόμενο σύστημα της αλυσίδας, το τρίτο σύστημα - Slave και ούτω καθεξής. Τα συστήματα για την πιο κοινή περίπτωση τριών χαοτικών συστημάτων μπορούν να οριστούν ως εξής: Master x = f ( x,t) &, () & ~, () Slave ~ x = f ( ~ x, x,t) Slave ~ & ~ x = f ( ~ x, ~ x,t), (3) Ο Dragomir P. Chantov είναι με τη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, τμήμα Αυτοματισμού, Τεχνικών Πληροφοριών και Ελέγχου, 4 Hadji Dimitar Str., 53 Gabrovo, Bulgaria, 549 ~ n ~ n n 3 όπου x R, x R, x R και οι αρχικές συνθήκες x ~ x ( t ) ~ x ( t ). Για n = n = n3 και είναι ( t )

113f ~ ( x) f ( ~ ~ x) = f ( ~ x) Καταρρακτικός συγχρονισμός χαοτικών συστημάτων με βάση τη γραμμική-μη γραμμική αποσύνθεση = τα συστήματα ()-(3) είναι πανομοιότυπα, που είναι η πιο συνηθισμένη περίπτωση. Το σύστημα () είναι στην πραγματικότητα ένα μέτριο σύστημα για τον συγχρονισμό των συστημάτων () και (3). Για πανομοιότυπα συστήματα, τα οποία εξετάζονται σε αυτή την εργασία, καλείται ότι τα τρία συστήματα είναι συγχρονισμένα, εάν: όπου () t = lime lim e () t =, (4) a t e a b b t () t x( t, t, x( t )) ~ x( t, t, ~ x( t )) =, (5) () t ~ x( t, t, ~ x( t )) ~ x t, t, ~ x( t ) ( ) = (6) είναι οι συναρτήσεις διαφοράς μεταξύ των λύσεων του πρώτου και του δεύτερου (5) και μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου (6) συστήματος. Ο τελικός συγχρονισμός μπορεί επίσης να απεικονιστεί απευθείας παρατηρώντας τη συνάρτηση διαφοράς μεταξύ του πρώτου και του τρίτου συστήματος: e c ( ) () t x( t, t, x( t )) ~ x t, t, ~ x( t ) =. (7) Τα συστήματα () - (3) θα συγχρονιστούν, εάν: () t lim e =, (8) t αλλά γενικά είναι δυνατό τα συστήματα ()-() να επιτύχουν οριακό συγχρονισμό, και τα συστήματα ( )-(3) - αμοιβαία με τον πρώτο οριακό συγχρονισμό και έτσι η συνθήκη (8) μπορεί να εκπληρωθεί χωρίς την εκπλήρωση της Εξ. (4). Β. Τροποποιημένη μέθοδος γραμμικής-μη γραμμικής αποσύνθεσης (MLND) για καταρράκτη χαοτικού συγχρονισμού Μια ελάχιστα γνωστή μέθοδος αποσύνθεσης για το συγχρονισμό δύο πανομοιότυπων χαοτικών συστημάτων είναι η μέθοδος γραμμικής μη γραμμικής αποσύνθεσης [4]. Η ουσία της μεθόδου είναι η τυπική αποσύνθεση του συστήματος Master σε γραμμικά και μη γραμμικά μέρη: c Master x &( t) = f ( x, t) = Аx( t) + h( x( t), t), ( 9) όπου Ax(t) είναι το γραμμικό μέρος, και h( x(t), t) - το μη γραμμικό μέρος του f ( x, t). Τότε το σύστημα Slave κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να οδηγείται με το μη γραμμικό μέρος της Εξ.(9): Slave ~ ~ x & ( t) = f ( ~ x, x, t) = Ax ~ ( t) + h( x( t), t). () Αφαίρεση εξ. () από την εξ. (9) παίρνει κανείς το σύστημα σφάλματος (διαφορά): e &( t) = x& ( t) ~ x& ( t) = A( x( t) ~ x( t)) = Аe( t). () Ο ενδεχόμενος συγχρονισμός μεταξύ των συστημάτων (9) και () θα είναι σταθερός, εάν το lim e () t =, δηλ. το σημείο e= του συστήματος σφάλματος t () είναι σταθερό. Δεδομένου ότι η εξ. () είναι ένα γραμμικό σύστημα, αυτή η ανάλυση 55 είναι εύκολο να γίνει (η σταθερότητα αποδεικνύεται από το πρόσημο των ιδιοτιμών του Α), που είναι το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου LND. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει έναν σημαντικό περιορισμό - προσφέρει μόνο μία παραλλαγή σύζευξης των συστημάτων (9) και (). Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι αυτή η παραλλαγή θα δώσει σταθερό συγχρονισμό. Όσο περισσότερες παραλλαγές ζεύξης είναι διαθέσιμες για οποιαδήποτε μέθοδο συγχρονισμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα επίτευξης σταθερού συγχρονισμού. Ο συγγραφέας προτείνει την προσθήκη μιας δεύτερης σύζευξης, ανάλογης με τη συνάρτηση σφάλματος: Master x &( t) = Аx( t) + h( x( t), t), () Slave ~ x & ( t) = Ax ~ (t) + h( x( t), t) + αe( x( t) ~ x( t)), (3) όπου α και Ε είναι το κέρδος σύζευξης και ο πίνακας σύζευξης που ορίζει την ακριβή μορφή της σύζευξης . Χωρίς απώλεια γενικότητας μπορεί κανείς να επιλέξει τη λεγόμενη τυπική μονόδρομη σύζευξη, με την οποία το συνδετικό μη μηδενικό στοιχείο βρίσκεται στην κύρια διαγώνιο του E. Το σύστημα σφάλματος: e& ( t) = x& ( t) ~ x& ( t) = A ( x( t) ~ x( t)) αε( x( t) ~ x( t)) = ( Α αe) e( t) (4) είναι και πάλι γραμμικό και έτσι διατηρώντας το πλεονέκτημα της μεθόδου LND μπορεί κανείς τώρα επιλέξτε ανάμεσα σε μεγάλο αριθμό παραλλαγών ζεύξης. Αυτή η ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί για τον συγχρονισμό καταρράκτη χάους. Σε αυτή την εργασία, χωρίς απώλεια γενικότητας, εξετάζεται ο καταρρακτικός συγχρονισμός τριών πανομοιότυπων χαοτικών συστημάτων. Τότε τα συστήματα Master, Slave και Slave, όταν εφαρμόζεται η τροποποιημένη σύζευξη γραμμικής-μη γραμμικής αποσύνθεσης, είναι: Master x &( t) = Аx( t) + h( x( t), t), (5) Slave ~ x & ( t) = Ax ~ ( t) + h( x( t), t) + α E ( x( t) ~ x( )), (6) t Slave ~ & x( t) = Ax ~ ( t) + h( x( t), t) + α E ( ~ x( t) ~ x( )), (7) t όπου γενικά α α και/ή E E. Τα δύο συστήματα σφαλμάτων είναι: e& t) = x& ( t) ~ x& ( t) = ( Α α E) e ( ), (8) a( a t ~ ~ & e& t) = x& ( t) x( t) = ( Α α E ) e ( ). (9) b( b t Και τα δύο συστήματα (8) και (9) είναι γραμμικά, επομένως κατά το σχεδιασμό των δύο ζεύξεων μπορεί κανείς εύκολα να αποδείξει τη σταθερότητα καθενός από αυτούς. Γ. Εφαρμογή της μεθόδου MLND σε συγκεκριμένα χαοτικά συστήματα Δεδομένου ότι τα περισσότερα Τα γνωστά χαοτικά συστήματα είναι συνεχή, περίπου το 75% από αυτά είναι τρίτης τάξης, εδώ τα αποτελέσματα της εφαρμογής της τροποποιημένης μεθόδου γραμμικής-μη γραμμικής αποσύνθεσης

114Παρουσιάζεται ο Dragomir P. Chantov για τον καταρράκτη συγχρονισμό ενός από τα γνωστά συστήματα τρίτης τάξης. Το μοντέλο του χαοτικού ηλεκτρονικού κυκλώματος του Τσούα περιγράφεται με τις ακόλουθες εξισώσεις: 3 [ x ( + b) x f ( x )], x& = σ x& = x x + x3, x& = β x, () όπουσ =, β = 4 87, b =. 68. Η μόνη μη γραμμικότητα είναι ( x + ) a b f ( x) = bx + x με a =. 7. Ο τυπικός χαοτικός ελκυστήρας του συστήματος φαίνεται στο x... Σχ.. Οι αρχικές συνθήκες είναι [ ] T = η πρόσθετη σύζευξη μεταξύ των συστημάτων Slave και Slave είναι OW με α =. Οι πίνακες των συστημάτων γραμμικού σφάλματος (8) και (9) για τα επιλεγμένα σχήματα σύζευξης είναι: σ( + b) σ ( Α α E) = α β σ ( + β) α σ ( Α α E ) = β με οι αντίστοιχες ιδιοτιμές:, (4), (5) eig( А α E ) =.9,.6. 3j, (6) ± eig( А α E ) = 3,9,. 3. 8ι. (7) ± Εικ.. Ο ελκυστής του Chua Αν Εξ. () θεωρείται ως κύριο σύστημα, μπορεί να αποσυντεθεί με τη μορφή της Εξ. (9), όπου: σ( + b) σ Α =, h ( x( t ), t) = f ( x). () β Δύο από τις ιδιοτιμές του Α είναι θετικές - λ =.7, λ =. 3. j και η πολλαπλή συγχρονισμού 4, 3 ± θα είναι ασταθή, δηλ. η βασική μέθοδος LND δεν μπορεί να εφαρμοστεί ούτε για απλό ούτε για καταρράκτη συγχρονισμό. Θα παρουσιαστεί μία από τις παραλλαγές της μεθόδου MLND (5)-(7). Αφήστε το σύστημα Master να περιγράφεται με την Εξ. () και τα δύο συστήματα Slave κατασκευάζονται ως εξής: Slave Slave ~ x& = α ~ x& ~ x& = β ~ x. 3 [ ~ x ( + β) ~ x f ( x )], = ~ x ~ x + ~ x + α ( x ~ x ), ~ & x = α 3 [ ~ x ~ ( + β) x f nl ( x) ] ~ & x ~ ~ ~ = x x + x3, ~ & x = β ~ x. 3 nl + α ( ~ x ~ x ), () (3) Η πρόσθετη σύζευξη μεταξύ των συστημάτων Master και Slave επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της δεύτερης παραλλαγής της τυπικής μονόδρομης ζεύξης (OW) με το α. Το = Επειδή όλα τα πραγματικά μέρη των ιδιοτιμών (6) και (7) είναι αρνητικά, πληρούνται οι απαραίτητες προϋποθέσεις για τη σταθερότητα συγχρονισμού μεταξύ κάθε ζεύγους συστημάτων. Η προσομοίωση με Matlab/Simulink επιβεβαιώνει τον συγχρονισμό. Τα σφάλματα eia = xi ~ xi και eib = ~ xi ~ xi φαίνονται στο Σχήμα. Μετά από μια περίοδο περίπου 3 δευτερολέπτων, τα τρία συστήματα, που ξεκινούν με διαφορετικές αρχικές συνθήκες το καθένα, συγχρονίζονται πλήρως. Ταυτόχρονα διατηρείται η χαοτική φύση της εξέλιξης των συστημάτων. Κάποιος μπορεί να επιβεβαιώσει τον συγχρονισμό καταρράκτη επίσης παρατηρώντας τις συναρτήσεις σφάλματος μεταξύ των συστημάτων Master και Slave - eic = xi ~ xi, ή βλέποντας την εξέλιξη στον χώρο καταστάσεων ( e c, ec, e3c ). Το τελευταίο φαίνεται στο Σχ.3. Μετά την παροδική περίοδο το σύστημα σφάλματος μεταξύ του πρώτου,,, δηλ. και του τρίτου συστήματος σταθεροποιείται στην αρχή ( ) υπάρχει ο ίδιος συγχρονισμός μεταξύ του πρώτου και του τρίτου συστήματος. Γενικά είναι αμφισβητήσιμο εάν αυτό σημαίνει αυτόματα ότι υπάρχει επίσης πανομοιότυπος συγχρονισμός μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου, και μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου χαοτικού συστήματος. Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι πιθανό το πρώτο ζεύγος συστημάτων να εμφανίζει οριακό συγχρονισμό, όπου το σφάλμα μετά την επίτευξη του συγχρονισμού είναι μια μη μηδενική σταθερά, η οποία εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες. Πολύ απίθανο, αλλά όχι αδύνατο γενικά, το δεύτερο ζεύγος χαοτικών συστημάτων μπορεί επίσης να παρουσιάσει οριακό συγχρονισμό, όπου το σφάλμα σταθεροποιείται στην ίδια σταθερά με διαφορετικό πρόσημο. Στη συνέχεια, τα συστήματα Master και Slave θα παρουσιάζουν ταυτόσημο συγχρονισμό χωρίς την παρουσία ταυτόσημου συγχρονισμού μεταξύ Master και Slave και μεταξύ των συστημάτων Slave και Slave. Διερευνάται επίσης η επίδραση του κέρδους σύζευξης α i. Με τις ζεύξεις OW και OW για το σύστημα Chua η αύξηση του α i οδηγεί σε μείωση της μεταβατικής διαδικασίας, π.χ. για α = α ο καταρρακτικός συγχρονισμός είναι σχεδόν = δύο φορές ταχύτερος. Ωστόσο, το συμπέρασμα σχετικά με την επίδραση του κέρδους σύζευξης δεν μπορεί να γίνει γενικά. Για άλλα 55

115Cascade synchronization of chaotic systems based on linear-nonlinear decomposition of chaotic systems or even for OW3 coupling for Chua system, increasing α and leads to loss of synchronization. It is also not recommended to choose a very high gain constant, as this will increase the effect of the potential noise that is always present in the synchronization channel and is therefore included by the connections in the Slave systems. one. ea,eb ea eb Slave systems, rows show additional coupling between Slave and Slave systems. The coupling constants for all OW and OW bonds are α and =. The coupling constant for the OW3 links is α i = because for a higher value the error system becomes unstable. The length of the transition process before complete identical synchronization between the three systems in seconds of the simulation is shown. It can be seen that since the basic LND method does not work for the Chua system, all nine possible pairs of the proposed MLND method guarantee stable synchronization. This conclusion, however, cannot be generalized for all chaotic systems, because each such system as a nonlinear system has its own properties, and so far no universal method for chaotic synchronization has been proposed. you are. does. ea,eb e3a,e3b t t tea e3a eb e3b TABLE AND RESULTS FOR DIFFERENT M-S S-S COUPLINGS OW OW OW3 OW 45s 3s 8s OW 3s 5s 9s OW3 3s 7s s The tested MLND method is also chaotic. For example, for the Rossler system, the LND method again does not provide stable synchronization, while the additional OW and OW couplings of the MLND method with properly chosen coupling gains stabilize the error systems, and the three Rossler systems show the same synchronization. However, the additional coupling OW3 for the Rossler system cannot stabilize the error system for all possible coupling gains, so synchronization is not possible. - III. CONCLUSION Image. Error functions: a - e3c t ec initial error between M and S e a e b, ; b - e a, e b ; c - e3 a, e3b -.5 Fig.3. State space (, e e ) e c c, 3c The results for other possible variants of the MLND method for the Chua system are generalized in Table I. The columns show the additional coupling between the main and - ec In this work, a new modification of the method is presented. The linear-nonlinear decomposition method is presented in which the standard the method combines with additional coupling, proportional to the error function. In this way, while maintaining the main advantage of the LND method, which is the possibility of accurate stability analysis, it is possible to choose between different types of coupling in order to increase the possibility of finding the correct synchronization scheme. REFERENCES [] Boccaletti, S., J. Kurths, G. Osipov, D. Valladares, C. Zhou. Synchronization of chaotic systems. Physics Reports 366 (), pp.-. [] Carroll, T. Synchronized chaotic communications with strong noise. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I, Vol.48, No., pp [3] Pecora, L., T. Carroll, G. Johnson, D. Mar, J. Heagy. Basics of synchronization in chaotic systems, concepts and applications. Chaos 7(4), 997, pp [4] Yu, H., L. Yanzhu. Chaotic synchronization based on the stability criterion of linear systems. Physics Letters A preprint (3), pp

116Έλεγχος διανυσμάτων χωρίς αισθητήρα επαγωγικών κινητήρων Emil Y. Marinov, Kosta D. Lutskanov και Zhivko S. Zhekov 3 Περίληψη Σε αυτό το άρθρο, εξετάζονται δύο δομές που βασίζονται στο μοντέλο μερικής επαγωγής κινητήρα και σε διαδικασίες βελτιστοποίησης για την ταχύτητα και τη ροή του ρότορα του κινητήρα. Πραγματοποιούνται έρευνες προσομοίωσης άμεσου διανυσματικού ελέγχου χωρίς αισθητήρα επαγωγικών κινητήρων με χρήση των προτεινόμενων εκτιμητών. Οι έρευνες καταδεικνύουν την επαρκή απόδοσή τους κατά τις διακυμάνσεις των παραμέτρων κινητήρα (αντίσταση ρότορα), τις διαταραχές και τα σήματα ελέγχου εισόδου μεταβλητών αναφορών μεγάλου εύρους. Λέξεις-κλειδιά διανυσματικός έλεγχος χωρίς αισθητήρα, Επαγωγικός κινητήρας, Εκτίμηση ροής, Εκτίμηση ταχύτητας. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το ενδιαφέρον για τους κινητήρες επαγωγής χωρίς αισθητήρες αυξάνεται συνεχώς την τελευταία δεκαετία. Γεμίζουν τη μέση λύση μεταξύ του ελέγχου κλειστού βρόχου υψηλής απόδοσης και του απλούστερου ελέγχου ανοιχτού βρόχου (V/Hz) του κινητήρα επαγωγής (IM). Τα πλεονεκτήματα της χρήσης αυτών των συστημάτων είναι: μειωμένη πολυπλοκότητα υλικού, μειωμένο μέγεθος, χωρίς καλώδιο αισθητήρα, αυξημένη αξιοπιστία, λιγότερες απαιτήσεις συντήρησης, χαμηλότερο κόστος, καλύτερη προστασία από τον θόρυβο. Οι περισσότερες μονάδες εναλλασσόμενου ρεύματος χωρίς αισθητήρα βασίζονται σε μεθόδους διανύσματος ροής, ως εκ τούτου ονομάζεται χαλαρά έλεγχος διανύσματος χωρίς αισθητήρα (SV). Υπάρχουν πολλά μοντέλα ελεγκτών ταχύτητας χωρίς αισθητήρες που περιγράφονται στη βιβλιογραφία με βάση την εκτεταμένη θεωρία φίλτρου Kalman [,], τον παρατηρητή Luenberger γραμμικής κατάστασης [,3], το νευρωνικό δίκτυο [3] και άλλα [4-7]. Βασικό πρόβλημα στον τομέα του ελέγχου χωρίς αισθητήρα είναι η εκτίμηση της χαμηλής ταχύτητας. Εδώ προτείνονται δύο δομές που βασίζονται στο μοντέλο κινητήρα μερικής επαγωγής και διαδικασίες βελτιστοποίησης για την εκτίμηση της ταχύτητας και για τον ρότορα ροής του κινητήρα. Η εργασία οργανώνεται ως εξής: Η ενότητα II περιγράφει το μοντέλο του κινητήρα επαγωγής, στην Ενότητα III περιγράφονται οι προτεινόμενοι εκτιμητές δομής, η ενότητα IV διερευνά τη δοκιμή προσομοίωσης της μετάδοσης κίνησης χωρίς αισθητήρα και η ενότητα V συνοψίζει το συμπέρασμα σχετικά με τα αποτελέσματα. II. ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΠΑΓΩΓΗΣ Οι εξισώσεις για την ηλεκτρική ισορροπία των τάσεων του ΔΥ με ρότορα κλωβού στο ακίνητο πλαίσιο α β, που εισάγονται στο Emil Y. Marinov, Technical University of Varna, Faculty of Computing and Automation, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, marinov5@ Kosta D. Lutskanov, Technical University of Varna, Faculty of Computing and Automation, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, 3 Zhivko S. Zhekov, Technical University of Varna, Faculty of Computing and Automation, Studentska, 9 Varna, Bulgaria, μια σύνθετη μορφή είναι: dψs us = Rsis + dt () dψr = Rrir + jp pωr Ψr dt () Ψ = L i + L i (3) s r s s m s m r Ψ = L i + L i (4) όπου : u s, is, Ψ s, ir, Ψr είναι διανύσματα αναπαράστασης των μεταβλητών του στάτη (τάση, ρεύμα και ροή) και των μεταβλητών του ρότορα (ρεύμα και ροή). ω r γωνιακή ταχύτητα ρότορα; R s, R r - αντίσταση φάσης στάτη και ρότορα. L s, L r επαγωγή φάσης στάτορα και ρότορα. L m αμοιβαία επαγωγή; p p αριθμός των πόλων του ζεύγους. Για κάθε διάνυσμα x (όπου χ σημαίνει τάση, ρεύμα, ροή) ισχύει x = x α + jx β όπου χ α, χ β είναι διανυσματικές προβολές αναπαράστασης στους άξονες α και β. Μετά την εξάλειψη του Ψ και του i r από το (4), προκύπτει: u s R L r r r m m s = Re ( Te p + ) είναι Ψr + j p pωr Ψr (5) Lr Lr i s = ( Tr p + ) Ψ L m r T j L r m p L p ω Ψ όπου: Lm Ls Lr Lm Le Lr d Re = Rs + Rr ; Le = ; Te = ; Tr = ; p =. Lr Lr Re Rr dt Για τους σκοπούς της σύνθεσης συστήματος ελέγχου διανύσματος, οι ηλεκτρομηχανικές διεργασίες στο IM και ο μηχανισμός (για μηχανικό τμήμα μιας μάζας) στο ορθογώνιο σύστημα συντεταγμένων d q, προσανατολισμένο στο διάνυσμα ροής του δρομέα περιγράφονται από τις ακόλουθες εξισώσεις: u u i sd sq sd ω M M g e e = R ( T p + ) i e = L m = p ω p m e = R ( T p + ) i e r r = k Ψ i c Rr L + L r sq r sd sq ( T p + ) Ψ r m L ω i r i sq r e e g sq + L ω i Ψ g sd R L L + L m r r m Lr p p Ψ r r ω Ψ r r (6) M = Jpω (7) 553

117Vector control of asynchronous motors without sensors where: i q, i d, u q, u d - active and excited components of stator current and voltage, ω g speed of the coordinate system, M e, M c electromagnetic and resistive moments, J - moment of inertia, k m = ( 3p p L m /L r )i sq /Ψ r. III. ESTIMATION OF FINITE VELOCITY FLOW When designing sensorless IM direct vector control, there are several important issues: determination of runner speed, transition position, and magnitude of the support vector, which is usually the runner flow vector. To solve this problem, two variants are proposed. They are based on our partial IM model and optimization procedure. A. Estimator The estimator consists of two individual machine models (Model, Model ) and an optimization procedure (OP) fig. (thick line shows vector variables, thin line scalar variables). The model estimates the rotor flux Ψˆ r and jθ form e. The model provides an estimate of the stator current î s. ω r u s i s Estimator e jθ Model Ψ r Ψ r OP ω~ r Model Fig.. The structural scheme of the Model Estimator is described by the following equations: L u R i i s i s + L L L e J ˆ r s s s s r m Ψ r = is ; (8) Lm p Lm ˆ ˆ ˆ ˆ Ψr = Ψr = Ψrα + Ψr β ; (9) Rr Lm ˆ Lm u + Ψ ω Ψ ˆ s p r j p r r ˆ Lr Lr is = () R ( T p + ) The optimization criterion is: e e = i ˆ s is J = e () Through OP ω ~ r varies for each sampling period so that the criterion J is minimized and an estimate of the speed of the runner ωˆ is obtained: r ωˆ = ~ in the case of J = min (3) r ω r In the simplest case OP can be performed using a sequential search method in a certain space. For k clock ω ~ r ( k ) will change in the interval ωˆ r ( k ) ± Δωmax. Determination of Do max is carried out based on the following reasons. When operating with a constant flux (Ψ r =const) and with current limitation, the maximum value of the electromagnetic moment is M emax = kmψr I sq max, where I sqmax is the maximum allowed value of the active component of the stator. current with reference current limitation. The result for the maximum dynamic torque is M d max = M e max + M c max = M e max + M n, where M n is the motor's rated torque. The maximum possible speed change is obtained from the motion equation (7): M maxt Δ ω d max = (4) J min where T is the sampling period, J min =J m, J m moment of inertia of the motor. B. Estimator The estimator consists of a partial IM model (Model 3) and an optimization process fig.. The model simultaneously provides estimates of the rotor current Ψˆ r and the stator current î s and shapes jθ e. Ψˆ θ = arctg Ψ ˆ rβ rα, () where θ is the angle between the vector Ψˆ r and the axis α. Equation (8) is the result () after expressing the lowest point Ψr i i s. Ψ s according to The estimated value of the stator current î s is obtained from the model based on equation (5), since the measured stator voltage is used for this purpose and is obtained in the rotor current model: ω r u s e jθ OP ω~ r Model 3 Ψ r i s + i s Estimator e e J Fig. Structure diagram of the 554 Estimator

118Model 3 is described by equations (5) and (6). The optimization procedure is the same as described in the first variant. The optimization criterion is defined by (), and the estimate of the runner's speed ωˆ r is obtained according to (3). Based on the proposed speed and flow estimators on the runner, the IM direct vector control system is obtained in Figure 3. The following symbols are used in the figure: FC flow controller; SC speed controller. CCB and CCA regulators of the active and excitation elements of the stator current. BC compensation block; Coordinate converters abc/αβ, αβ/dq, dq/αβ, αβ/abc, computerized power converter, IM induction motor, mechanism M. ω ref, Ψ ref - speed * * * and rotor flux reference values. u uαβ, u - control signals. Ψ ref ω ref FC SC dq, abc CCB CCA i sq i sd BC * in dq Emil Y. Marinov, Kosta D. Lutskanov and Zhivko S. Zhekov dq/αβ αβ/dq e jθ * in αβ αβ/abc abc/αβ * in abc and s PC ω r Ψ r Estimator abc/αβ in s IM Fig.3. Functional diagram of the IM M vector control system Fig.4. Low speeds in the absence of noise and R s =R skat and R r =R rkat (with estimator) IV. SIMULATION RESEARCH AND RESULTS The proposed control algorithm was tested using a 5 kw induction motor with a rated torque of 36.4 Nm and a rated current of I sn =.A. In the coordinate transformations of the simulation model, the nonlinear and discrete properties of the PC are taken into account. Tests are performed using variable stator and rotor resistance, without/with noise in the input signals. Part of the simulation research of the direct vector control system is shown in fig. In fig. 4 and fig. 5 shows the performance of the system using the Estimator, and Fig. 6 and fig. 7 - using the Estimator. Motor speed and rotor flux are compared with ω ref and Ψ ref (Fig. 4a 7a) and with estimates of ωˆ ​​r and Ψˆ r, derived from the estimator (Fig. 4b,c,d,e 7b,c,d,mi). Sl. 4,6 were obtained using the basic value of the electrical parameters of the motor in the absence of noise, fig. 5.7 s R s =.R skat and R r =.R rkat (basic values ​​R skat , R rkat of R s and R r ) and in the case of adding noise to the stator currents. Noise addition is simulated with additive white noise, noise/signal ratio = 0.5. In all cases, the estimators work with the basic values ​​of the engine parameters. The moment of resistance M c is accepted as reactive and changes in the range (. )M n as follows: M c =.M n for t.s; M c =.5M n for.

119Vector control of asynchronous motors without sensors When there is a difference between the resistance of the motors and their basic values, a static fault occurs. This error is proportional to the load and the deviation of the actual resistances from the basic values. The conducted research confirms the ability of the system to work with both estimators. The second variant of the estimator is more robust with respect to parametric and signal disturbances. It does filtering of the estimated values ​​of the rotor flux edge so that it is actually a smooth curve. This makes the estimator better than the scheme. V. CONCLUSION Two structures are proposed using the partial induction motor model and optimization procedures to estimate rotor speed and flux. Based on this, two direct vector control structures of the IM unit are formed. Simulation studies were conducted that confirm the effectiveness of the proposed estimators and control vector schemes. The research is carried out under the following conditions: a wide range of speed regulation, variations in motor parameters (end rotor stator resistances), noise applied to the stator phase current signals. Research shows sufficient performance of IM motion control without sensors. Figure 6. Low speeds in the absence of noise and R s =R skat and R r =R rkat (with estimator) REFERENCES [] B. Akin, U. Orguner, A. Ersak and M. Ehsani, Simple Derivative-Free Nonlinear State Observer for Sensorless AC Drive Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, Vol., Issue: 5, pp , Oct. 6. [] V. Bostan, M. Cuibus, C. Has and R. Magureanu, High performance sensorless solutions for induction motor control, Professional Power Electronics Conference, 3rd PESC 3. 3 IEEE 34th Annual, Vol., pp , June 3. [3] M. Cuibus, V. Bostan, S. Ambrosii, C. Ilas and R. Magureanu, Luenberger, Kalman and neural network observers for sensorless induction motor control, Conference on Power Electronics and Motion Control,. Procedure. IPEMC. Third International, volume 3, p. 56-6,. [4] H. Zidan, S. Fujii, T. Hanamoto, and T. Tsuji, "A Simple Sensorless Vector Control System for Variable Speed ​​Induction Motor Drives," T.IEE, Japan, Vol. -D, no., p. 65-7, [5] G. Edelbacher, K. Jezernik and E. Urlep, "Low-speed Sensorless Control of Induction Machine," Trans. on industrial electronics, Vol. 53, no, p - 9, February 6. [6] T. Chun, M. Choi, and B. Bose, A new induction drive starting scheme with vector control of stator current without torque jerk, IEEE Transactions on Industrial Applications, vol. 39. No 3, p , May/June, 3. [7] H. Madadi Kojabadi Simulations and experimental studies of the reference adaptive system model for sensorless induction motor drive, Simulation Modeling Practice and Theory, Vol. 3, No. 6, p., Sept. 5 fig.7. Low speeds in the presence of noise and R s =.R skat and R r =.R rkat (with estimator) 556

120Γενετικοί αλγόριθμοι που εφαρμόζονται στη βελτιστοποίηση παραμέτρων των συνδεδεμένων συστημάτων Cascade Bratislav Danković, Dragan Antić, Zoran Jovanović 3 και Marko Milojković 4 Περίληψη Σε αυτή την εργασία, το σύστημα ψύξης καουτσούκ στη βιομηχανία ελαστικών, ως αντιπροσωπεία πολύπλοκων, μη γραμμικών, στοχαστικών, συνδεδεμένων με καταρράκτη συστημάτων, θεωρείται. Ένας απλός γενετικός αλγόριθμος έχει εφαρμοστεί στον προσαρμοστικό και βέλτιστο έλεγχο του συστήματος. Λέξεις-κλειδιά - Γενετικοί αλγόριθμοι, Μη γραμμικό σύστημα, Βελτιστοποίηση παραμέτρων I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε κάθε εργοστάσιο ελαστικών στον κόσμο, υπάρχουν ένα ή περισσότερα συστήματα ψύξης με νήματα ελαστικών. Αυτό το νήμα ελαστικού χρησιμοποιείται για να σχηματίσει εξωτερικό (απογυμνωμένο) μέρος ενός ελαστικού. Υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου 5 συστήματα, όπως αυτό, σε όλο τον κόσμο, κυρίως στην Κίνα, την Ινδία, τις ΗΠΑ και τη Βραζιλία. Αυτά τα συστήματα αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό (4-4) μεταφορέων που συνδέονται με καταρράκτη κατά μήκος των οποίων κινείται το σπείρωμα του ελαστικού, περνώντας από τον έναν μεταφορέα στον άλλο. Έτσι, το καουτσούκ ψύχεται από το νερό που ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι ταχύτητες των μεμονωμένων μεταφορέων ρυθμίζονται χρησιμοποιώντας τοπικούς ελεγκτές που καθορίζουν την ταχύτητα του επόμενου μεταφορέα ανάλογα με το μήκος του καουτσούκ μεταξύ δύο διαδοχικών μεταφορέων. Με αυτόν τον τρόπο, προκύπτει ένα δυναμικό σύστημα με πολλούς καταρράκτες (βλ. Εικ..). Κατά τη διάρκεια της κίνησης του σπειρώματος του ελαστικού κατά μήκος ενός μεταφορέα, το λάστιχο κρυώνει και συστέλλεται. Εξαιτίας αυτού, η ταχύτητα στο άκρο του μεταφορέα είναι μικρότερη από την ταχύτητα στην αρχή του μεταφορέα, με συντελεστή συστολής μ. Ο συντελεστής μ είναι στοχαστικός γιατί εξαρτάται από την ποιότητα του καουτσούκ και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος που είναι στοχαστικές παράμετροι. Η επίδραση των στοχαστικών παραμέτρων μ i στη σταθερότητα των συστημάτων καταρράκτη αναλύεται στο []. Λόγω της δομής καταρράκτη και των μη γραμμικοτήτων, το σύστημα είναι επιρρεπές σε ταλαντώσεις [],[3]. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να εμφανιστεί ντετερμινιστικό χάος στο σύστημα [4], [5]. Λόγω των δηλωμένων ιδιοτήτων, το αναφερόμενο σύστημα είναι πολύ περίπλοκο και δύσκολο να ελεγχθεί [6]. Ο μόνος τρόπος για επιτυχή έλεγχο είναι ο τοπικός έλεγχος των ταχυτήτων των μεταφορέων σε κάθε μετάβαση (σημεία 5 στο Σχ. ) και επίσης μια αντιστάθμιση για ολόκληρο το σύστημα χρησιμοποιώντας ρυθμιζόμενες παραμέτρους. Μέχρι τώρα, αυτές οι παράμετροι προσαρμόστηκαν χειροκίνητα. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια νέα μέθοδο προσαρμογής παραμέτρων χρησιμοποιώντας γενετικούς αλγόριθμους με βέλτιστο έλεγχο με την έννοια του μέσου τετραγώνου σφάλματος. II. ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΨΥΞΗ ΤΗΣ ΛΩΡΙΔΗΣ ΣΧΗΜΑ. δείχνει έναν καταρράκτη συνδεδεμένο μεταφορέα για την ψύξη της λαστιχένιας ταινίας. Αυτό το σύστημα σε ένα πραγματικό εργοστάσιο δίνεται στο σχήμα. Εικ.. Σύστημα καταρράκτη για τη μεταφορά λωρίδων από καουτσούκ (-εξωθητήρας -λάστιχο 3-ζυγός 4-μεταφορείς 5-μεταβάσεις) Οι ακόλουθες ιδιότητες αυτών των συστημάτων επηρεάζουν τη δυναμική, τη σταθερότητα και την ποιότητα του συστήματος: Το νήμα ελαστικού συσσωρεύεται στα σημεία μετάβασης (σημεία 5 στο Σχ. . ), λόγω της ολοκλήρωσης της διαφοράς ταχυτήτων. Οι μη γραμμικές εξαρτήσεις σχηματίζονται στις μεταβάσεις καταρράκτη, μεταξύ μεταφορέων. Ο Bratislav Dankovic είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Serbia Ο Dragan Antic είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Serbia, dantic@elfak. 3 Ο Zoran Jovanovic είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Serbia, 4 Ο Marko Milojkovic είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Nis, Σερβία, Εικ.. Σύστημα ψύξης από καουτσούκ στη βιομηχανία ελαστικών Tigar-Michelline, Σερβία Η λαστιχένια ταινία προέρχεται από εξωθητήρα (σημείο στο Σχ..), διέρχεται από το ζυγό (σημείο 3 στο Σχ. ..) και πηγαίνει στο σύστημα ψύξης. Είναι απαραίτητο να κρυώσει η λαστιχένια ταινία σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν το καουτσούκ διατρέχει το σύστημα ψύξης, ψύχεται και συστέλλεται με συντελεστή συστολής μ<. Κατά τη διάρκεια αυτής της συστολής, οι ταχύτητες από καουτσούκ στα άκρα του μεταφορέα δεν είναι ίσες με τις ταχύτητες του μεταφορέα, 557

121Γενετικοί αλγόριθμοι που εφαρμόζονται στη βελτιστοποίηση παραμέτρων των Cascade Connected Systems παράγοντας το φαινόμενο της ολίσθησης του καουτσούκ σε σχέση με τον μεταφορέα. Η αλλαγή μήκους της λαστιχένιας λωρίδας μεταξύ δύο μεταφορέων περιγράφεται με τις ακόλουθες εξισώσεις: W () s Vi = u i ( s) = () s T T s + ( T + T ) s + (8) dli () () = Vg, i V, i=,,...,n g, i dt () () () Vg, i = Vi, Vg, i = Vi μ () dli Vi Vi dt μ (3) Δl = i Vi Vi s μi (4) όπου: l i είναι το μήκος της ελαστικής λωρίδας μεταξύ του i-ου και του (i+)-ου μεταφορέα, () V είναι η ελαστική ταχύτητα στο άκρο του (i-)-ου μεταφορέα, g, i () V g,i είναι η ταχύτητα από καουτσούκ στην αρχή του i-ου μεταφορέα, n είναι ο αριθμός των μεταφορέων Δ l i είναι η αλλαγή μήκους της ελαστικής λωρίδας μεταξύ δύο διαδοχικών μεταφορέων, V i είναι η ταχύτητα του (i-)-ου μεταφορέα , V i είναι η ταχύτητα του i-ου μεταφορέα, μ i είναι ο συντελεστής συμπίεσης ελαστικού για τον i-ο μεταφορέα. Το σχήμα 3. δείχνει μια μετάβαση μεταξύ δύο μεταφορέων. Για τη ρύθμιση των ταχυτήτων του μεταφορέα, είναι απαραίτητο να μετρηθούν τα μήκη του καουτσούκ μεταξύ των μεταφορέων (Δ li). Αυτές οι μετρήσεις γίνονται με ειδικούς αισθητήρες (ποτενσιόμετρα P στο Σχ. 3.). Η γωνία β i του μετρητή s (ποτενσιόμετρο) ικανοποιεί την ακόλουθη σχέση: β i = Φ( Δl i ) (5) όπου το Φ παριστάνει μη γραμμική εξάρτηση. Η τιμή του β i είναι μεταξύ και 9 μοιρών. Η τάση του ποτενσιόμετρου είναι: ui = K P β (6) i όπου K P είναι ο συντελεστής ποτενσιόμετρου [V/rad]. Η τάση του ποτενσιόμετρου ενισχύεται και, μέσω των ρυθμιστών του τιρίστορ, ελέγχονται οι ταχύτητες των κινητήρων μετάδοσης κίνησης. Η δυναμική του i-th μεταφορέα με ελεγκτή και κινητήρα μετάδοσης κίνησης μπορεί να περιγραφεί με την ακόλουθη γνωστή εξίσωση: dvi dvi T T + ( T + T ) + Vi = u (7) i dt dt όπου T και T είναι μηχανικές και ηλεκτρικές σταθερές χρόνου του ηλεκτρομηχανική κίνηση. Σύμφωνα με το (7), η συνάρτηση μεταφοράς για τον i-th μεταφορέα έχει την ακόλουθη μορφή: Εικ. 3. Μέτρηση του μήκους του καουτσούκ μεταξύ των μεταφορέων Χρησιμοποιώντας τις αναφερόμενες εξισώσεις ()-(8), δίνεται το μπλοκ διάγραμμα ολόκληρου του συστήματος στο Σχήμα 4, λαμβάνεται. Η ενσωμάτωση της ταχύτητας μεταξύ των μεταφορέων μπορεί να προκαλέσει στατικό σφάλμα όταν αλλάζει η παράμετρος μ (αλλαγή ποιότητας του χρησιμοποιημένου καουτσούκ ή αλλαγή θερμοκρασίας περιβάλλοντος). Στο σχ. 3, η μεσαία θέση του αισθητήρα (θέση ()) αντιστοιχεί στην κανονική λειτουργία. Εάν το μ μεγεθύνεται, ο αισθητήρας μπαίνει στη θέση () και προκύπτει στατικό σφάλμα Δli (το ελαστικό τεντώνεται). Εάν το μ μειωθεί, ο αισθητήρας έρχεται στη θέση (3) και εμφανίζεται στατικό σφάλμα + Δl i (το λάστιχο συσσωρεύεται). Τα ποτενσιόμετρα αντιστάθμισης (Kri στο σχ. 4) εισάγονται για την αντιστάθμιση στατικών σφαλμάτων, επομένως η ρύθμισή τους επαναφέρει το σύστημα στην κανονική λειτουργία (θέση () στο σχ. 3). Σήμερα, αυτές οι παράμετροι προσαρμόζονται χειροκίνητα (χειροκίνητη προσαρμογή συστήματος). Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια νέα μέθοδο, βασισμένη σε γενετικούς αλγόριθμους για αυτόματη προσαρμογή και βελτιστοποίηση των συζητούμενων συστημάτων. III. ΓΕΝΕΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Οι αρχές των γενετικών αλγορίθμων δημοσιεύθηκαν για πρώτη φορά από τον Holland το 96 [7]. Οι γενετικοί αλγόριθμοι είναι τεχνικές βελτιστοποίησης που βασίζονται στην προσομοίωση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στην εξέλιξη των ειδών και στην προσαρμογή τους σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Οι γενετικοί αλγόριθμοι έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς όπως η βελτιστοποίηση συναρτήσεων, η επεξεργασία εικόνας, η αναγνώριση συστήματος... Έχουν επιδείξει πολύ καλές επιδόσεις ως παγκόσμιοι βελτιστοποιητές σε πολλούς τύπους εφαρμογών [8], [9]. Μια σύντομη περιγραφή των γενετικών αλγορίθμων δίνεται παρακάτω. Κωδικοποίηση: Το πρώτο βήμα για τη δημιουργία ενός γενετικού αλγορίθμου είναι να επιλέξετε τις παραμέτρους που σας ενδιαφέρουν στον χώρο αναζήτησης και να τις κωδικοποιήσετε και να τις συνδέσετε ώστε να σχηματιστεί μια συμβολοσειρά ή ένα χρωμόσωμα. Έτσι, κάθε συμβολοσειρά αντιπροσωπεύει μια πιθανή λύση στο πρόβλημα. Ο γενετικός αλγόριθμος λειτουργεί με ένα σύνολο χορδών, που ονομάζεται πληθυσμός. Αυτός ο πληθυσμός στη συνέχεια εξελίσσεται 558

122Οι Bratislav Danković, Dragan Antić, Zoran Jovanović και Marko Milojković από γενιά σε γενιά μέσω της εφαρμογής γενετικών χειριστών. Αρχικοποίηση και μέγεθος πληθυσμού: Ο αρχικός πληθυσμός για έναν γενετικό αλγόριθμο είναι ένα σύνολο λύσεων στο Σχ. 4. Μπλοκ διάγραμμα του διαδοχικού συνδεδεμένου συστήματος στο πρόβλημα βελτιστοποίησης της βιομηχανίας ελαστικών. Μια κοινή μέθοδος δημιουργίας πληθυσμού είναι η τυχαία παραγωγή. Το μέγεθος του πληθυσμού παίζει σημαντικό ρόλο στην επιτυχία της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων. Ένα μικρό αρχικό μέγεθος πληθυσμού μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη σύγκλιση. Από την άλλη πλευρά, ένας μεγάλος πληθυσμός έχει ως αποτέλεσμα μεγάλο υπολογιστικό χρόνο. Συνάρτηση καταλληλότητας: Στους γενετικούς αλγόριθμους, η καταλληλότητα είναι η ποσότητα που καθορίζει την ποιότητα ενός χρωμοσώματος, στη γονιδιακή δεξαμενή και πρέπει να επιβραβεύει την επιθυμητή συμπεριφορά. Η καταλληλότητα αξιολογείται από μια συνάρτηση φυσικής κατάστασης που πρέπει να καθοριστεί για κάθε συγκεκριμένο πρόβλημα. Η συνάρτηση καταλληλότητας επιλέγεται έτσι ώστε η μέγιστη τιμή της να είναι η επιθυμητή τιμή της προς βελτιστοποίηση ποσότητας. Μέθοδοι επιλογής: Η αναπαραγωγή βασίζεται στην αρχή της επιβίωσης του ισχυρότερου. Ο σκοπός της επιλογής είναι να δοθεί έμφαση στα καλύτερα άτομα στον πληθυσμό με την ελπίδα ότι οι απόγονοί τους θα έχουν με τη σειρά τους ακόμη υψηλότερη φυσική κατάσταση. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι η επιλογή του τροχού της ρουλέτας, όπου ο αριθμός των φορών που μπορεί να αναπαραχθεί το γονίδιο είναι ανάλογος με τη λειτουργία φυσικής κατάστασης του. Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την επιλογή των καλύτερων ερμηνευτών και τη δυνατότητα πολλαπλών αναπαραγωγών των καλύτερων ερμηνευτών. Γενετικοί τελεστές: Σε κάθε γενιά, οι γενετικοί τελεστές εφαρμόζονται σε επιλεγμένα άτομα από τον τρέχοντα πληθυσμό προκειμένου να δημιουργηθεί ένας νέος πληθυσμός. Γενικά, οι τρεις κύριοι γενετικοί φορείς είναι η αναπαραγωγή, η διασταύρωση και η μετάλλαξη. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές πιθανότητες για την εφαρμογή αυτών των τελεστών, η ταχύτητα σύγκλισης και η ακρίβεια μπορούν να ελεγχθούν. Αναπαραγωγή: Ένα μέρος του νέου πληθυσμού μπορεί να δημιουργηθεί με απλή αντιγραφή χωρίς αλλαγή επιλεγμένων ατόμων από τον παρόντα πληθυσμό. Αυτό δίνει τη δυνατότητα επιβίωσης για ήδη αναπτυγμένες λύσεις προσαρμογής. Crossover: Τα νέα άτομα δημιουργούνται γενικά ως απόγονοι δύο γονέων. Ένα ή περισσότερα αποκαλούμενα σημεία διασταύρωσης επιλέγονται (συνήθως τυχαία) μέσα στο χρωμόσωμα κάθε γονέα, στην ίδια θέση στο καθένα. Στη συνέχεια, τα μέρη που οριοθετούνται από τα σημεία διασταύρωσης ανταλλάσσονται μεταξύ των γονέων. Τα άτομα που προκύπτουν με αυτόν τον τρόπο είναι οι απόγονοι. Μετάλλαξη: Ένα νέο άτομο δημιουργείται κάνοντας τροποποιήσεις σε ένα επιλεγμένο άτομο. Οι τροποποιήσεις συνίστανται στην αλλαγή μιας ή περισσότερων τιμών στο χρωμόσωμα. Στους γενετικούς αλγόριθμους, η μετάλλαξη είναι πηγή μεταβλητότητας. Το Σχήμα 5 δείχνει τα κύρια βήματα στη διαδικασία γενετικού αλγορίθμου που αναφέρθηκαν παραπάνω. Εικ. 5. Διαδικασία γενετικού αλγόριθμου IV. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Για πειραματικούς σκοπούς, το μοντέλο MATLAB του συστήματος διαδοχικής σύνδεσης με τέσσερις μεταφορείς, με βάση το μπλοκ διάγραμμα στο σχ. 4., γίνεται. Ένα πραγματικό σύστημα κατασκευάζεται επίσης για την εργαστηριακή άσκηση των μαθητών (βλ. εικ. 6). Ο γενετικός αλγόριθμος εφαρμόζεται με τρόπο που παρουσιάζεται στο Σχ. 7. Σκοπός του γενετικού αλγορίθμου είναι να βελτιστοποιήσει τις παραμέτρους Kri με βάση τη μετρούμενη Δ l. i Εικ. 6. Εργαστηριακό σύστημα με τέσσερις μεταφορείς για πειράματα 559

123Genetic algorithms applied to the optimization of parameters of cascade connected systems There are four parameters of interest that should be adjusted by genetic algorithm: K r, K r, K r3 and K r4. They are binary coded with five bits each (3 values). In this way, chromosomal bits are obtained. An initial population is randomly generated with a population size of . Figure 7. Complete diagram of the laboratory system. The fitness function is the sum of the average sizing errors in all conveyors (9). A smaller fitness function means a smaller error, and thus a better chromosome. 4 i= ( ) f = Δ (9) l i The selection method is roulette with the fittest individual being passed on to the next generation in each evolutionary cycle. The genetic algorithm was run through 3 generations. To run the genetic algorithm, Matlab was used together with SIMULINK and the GAOT tool, which is an open source code. The results for successive generations are shown in Figure 8. The solid line is the fitness function of the best individual, and the dashed line is the average fitness function for the entire generation. The algorithm very quickly converges to a set of Kri parameters that are optimal for the system and give the lowest fitness function. Figure 8. Best and average fit function V. CONCLUSION This paper presents a new parameter optimization method in rubber band cooling systems. A genetic algorithm is used for this purpose. The parameters are adjusted in discrete time intervals and this gives good results for inertial systems like the one considered in this paper. The achieved results are better than those obtained by classical methods in terms of higher speed and accuracy of adjustment. LITERATURE [] B. Dankovic, Z. Jovanovic, On the Reliability of Discrete-Time Control Systems with Random Parameters, Quality Technology and Quantitative Management, Vol., No, 5 March. [] B. Danković, On Oscillations in Automated Cascade Systems for the Transport of Rubber Threads, Jurema, Zagreb, 1989. [3] D. Trajković, B. Danković, Analysis, Modeling and Simulation of Cascade Connected Conveyors in the Tire Industry Using Signal and Connection Graphs , Problems of Machine Dynamics, Vol. 9, No3, University of Warsaw, 5. [4] B. Danković, M. Stanković, B. Vidojković, On the appearance of chaos in cascade automatic control systems, Proc. 7th Symposium on mathematics and its applications, University from Timișoara [5] B. Danković, B. Vidojković, On chaos in cascade systems for the transport of rubber tape, Proc. HM, 4th international conference, Heavy machinery (p. A97-A) [6] B. Danković, B. Vidojković, Z. Jovanović, Dynamic analysis of the cooling system of treads in the tire industry, Proc. ICMFMDI, XVII International Conference on Material Flow, Machines and Devices in Industry (pp ) [7] J. H. Holland, Outline for a Logical Theory of Adaptive Systems, J. ACM, vol. 3, p., July 96; also in A. W. Burks, ed., Essays on Cellular Automata, Univ. Illinois Press, 97, pp [8] Blasco, F.X., M. Martínez, J. Senent and J. Sanchis Application to Nonlinear Process Control with Model Uncertainty, in: Methodology and Tools in Knowledge-Based Systems (Springer, Ed. .) , 998. [9] T.K. Teng, J.S. Shieh and C.S. Chen, Genetic algorithms applied to online automatic tuning of PID parameters of a liquid level control system, Transactions of the Institute of Measurement and Control 5, 5 pp , 3. 56

124Δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων περιβάλλοντος για κινητά ρομπότ με χρήση σαρωτή λέιζερ χρόνου πτήσης (TOF) Sašo Koceski και Nataša Koceska Περίληψη Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζουμε ένα σύστημα και μια διαισθητική μέθοδο για τη δημιουργία οπτικά πειστικών τρισδιάστατων μοντέλων εσωτερικών περιβαλλόντων από δεδομένα που συλλέγονται με χρήση λέιζερ TOF ερευνητής. Η μέθοδος επιτρέπει την ανίχνευση γραμμής και επιφάνειας και αναπαράσταση πλέγματος των δεδομένων εισόδου. Η μέθοδος δείχνει ακριβή αναπαράσταση τρισδιάστατου περιβάλλοντος χρήσιμη για διαφορετικές εφαρμογές στην ρομποτική κινητής τηλεφωνίας. Λέξεις-κλειδιά TOF Laser Scanner, Μοντελοποίηση περιβάλλοντος, Κινητά ρομπότ, 3D mesh, 3D triangulation. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εφόσον οι τυπικοί υπολογιστές επιτρέπουν την αποτελεσματική επεξεργασία και απεικόνιση τρισδιάστατων δεδομένων, το ενδιαφέρον για τη χρήση τρισδιάστατων γραφικών έχει αυξηθεί σε πολλούς τομείς. Ο σχεδιασμός αυτοκινήτων, η αρχιτεκτονική ή η σύγχρονη κινηματογραφική βιομηχανία είναι απλώς μερικά παραδείγματα πεδίων που είναι αδιανόητα στις μέρες μας χωρίς τη χρήση τρισδιάστατων γραφικών. Η αυξανόμενη ανάγκη για γρήγορο χαρακτηρισμό και ποσοτικοποίηση πολύπλοκων περιβαλλόντων έχει δημιουργήσει προκλήσεις για την ανάλυση δεδομένων. Κινητά συστήματα με σαρωτές λέιζερ 3D που εκτελούν αυτόματα πολλαπλά βήματα, όπως σάρωση, μέτρηση και αυτόνομη οδήγηση, έχουν τη δυνατότητα να προωθήσουν σημαντικά το πεδίο αναπαράστασης περιβάλλοντος. Οι τρισδιάστατες πληροφορίες που είναι διαθέσιμες σε πραγματικό χρόνο επιτρέπουν στα αυτόνομα ρομπότ να πλοηγούνται σε άγνωστα περιβάλλοντα, π.χ. στον τομέα της ρομποτικής επιθεώρησης και διάσωσης. Η αυτόνομη πλοήγηση ενός κινητού ρομπότ απαιτεί βασικές δυνατότητες για την αίσθηση του περιβάλλοντος προκειμένου να αποφευχθούν τα εμπόδια και να κινηθεί με ασφαλή τρόπο. Το πρόβλημα της ανακατασκευής μπορεί να εκφραστεί ως μια διαδικασία εκμάθησης της τοπολογίας από το σύνολο δεδομένων και μείωση της καρδιναικότητας του συνόλου δεδομένων. Αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα μέσω της ανάλυσης και της ρεαλιστικής αναπαράστασης ενός άγνωστου εσωτερικού περιβάλλοντος. Στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε μοντέλα περιβάλλοντος από τα πραγματικά μετρημένα δεδομένα εσωτερικών χώρων κτιρίων χρησιμοποιώντας έξυπνες μεθόδους και συστήματα απόκτησης δεδομένων χαμηλού κόστους. Ορισμένες ομάδες προσπάθησαν να δημιουργήσουν τρισδιάστατες ογκομετρικές αναπαραστάσεις περιβαλλόντων με ανιχνευτές εύρους λέιζερ D. Οι Thrun et al. Οι [],[] και οι Früh και Zakhor [3] χρησιμοποιούν εύρος εύρεσης λέιζερ δύο D για την απόκτηση τρισδιάστατων δεδομένων. Ένας σαρωτής λέιζερ είναι τοποθετημένος οριζόντια και ένας κάθετα. Ο τελευταίος αρπάζει μια κάθετη γραμμή σάρωσης που μετατρέπεται σε 3D Ο Sašo Koceski είναι με το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Μηχανικής, DIMEG, University of L'Aquila, 674 Roio Poggio (AQ), Ιταλία, Η Nataša Koceska είναι με το Applied Mechanics Laboratory, DIMEG, University of L'Aquila, 674 Roio Poggio (AQ), Ιταλία, σημεία χρησιμοποιώντας την τρέχουσα στάση ρομπότ. Όμως η ακρίβεια σε αυτές τις περιπτώσεις δεν ήταν ικανοποιητική και επίσης το κόστος ήταν υψηλό. Η προσέγγισή μας βασίζεται στον σαρωτή λέιζερ D Time-Of-Flight (TOF) και επεκτείνεται από μια μονάδα περιστροφής χαμηλού κόστους που βασίζεται σε εντολή σερβομηχανισμού. Ο συνδυασμός μιας τέτοιας επέκτασης με ένα σύνολο γρήγορων αλγορίθμων έχει οδηγήσει σε ένα καλό σύστημα αναπαράστασης περιβάλλοντος. II. ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΗΨΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ A. Κύρια εξαρτήματα και συνδέσεις Το κύριο εξάρτημα του συστήματος είναι ο αισθητήρας για τη λήψη δεδομένων Laser Radar (LADAR) LD-OEM. Τοποθετείται σε μία κατασκευή μεταφοράς αλουμινίου και στερεώνεται στη βάση με βαθμό ελευθερίας (DOF), ώστε να μπορεί να περιστρέφεται. Στην κορυφή της βάσης, προβλέπεται κουκέτα για κάμερα (Εικ. ). Ο άξονας περιστροφής είναι οριζόντιος. Σημείωση: Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η περιστροφή του LADAR γύρω από τον κατακόρυφο άξονα. Σε όλη αυτή την εργασία θα συζητήσουμε μόνο την προσέγγιση που βασίζεται σε μια οριζόντια περιστροφή, αλλά όλοι οι αλγόριθμοι που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τον ίδιο τρόπο. Οι διαφορές μεταξύ των δύο προσεγγίσεων είναι ο προσανατολισμός της γωνίας κορυφής και τα εφέ δυναμικών αντικειμένων που κινούνται μέσα από τη σκηνή, π.χ. πρόσωπα. Χρησιμοποιώντας την κατακόρυφη σάρωση, μια διαταραχή είτε εμφανίζεται με χαμηλή πιθανότητα μέσα σε λίγες σαρώσεις που τις καθιστά άχρηστες για περαιτέρω επεξεργασία δεδομένων είτε δεν εμφανίζεται καθόλου. Εικ.. Φωτογραφία του συστήματος που δημιουργήθηκε Για την περιστροφή του κινητού στοιχείου του σαρωτή, επιλέχθηκε μια εντολή servo (Hitec HSC 5955TG). Για να μετακινηθεί η εντολή servo, χρησιμοποιήθηκε μια PPM (Pulse Position Modulation). Συνδέεται στην κύρια μονάδα επεξεργασίας (Standard 56

125Δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων περιβάλλοντος για κινητά ρομπότ με χρήση υπολογιστή λέιζερ σαρωτής χρόνου πτήσης (TOF) μέσω πλακέτας λήψης δεδομένων PCI NI 6 (DAQ). Για το LADAR, επιλέχθηκε η διεπαφή δεδομένων CAN (αντί για ένα RS-3 που είναι η τυπική διεπαφή), επειδή επιτρέπει υψηλή ταχύτητα λαβής, έως MBit/s, και μπορεί εύκολα να συνδεθεί μέσω χαμηλού κόστους προσαρμογέα CAN σε USB σε μια θύρα USB. ανάλυση /6. Έχοντας υπόψη την κατακόρυφη περιστροφή του συστήματος (την τιμή για τη γωνία αζιμουθίου) καθώς και τη διάσταση των δομικών στοιχείων του συστήματος (Εικ. 3), οι τιμές αυτές μετατρέπονται στη συνέχεια σε σφαιρικές συντεταγμένες σύμφωνα με τις Εξ. () και (). Β. Αρχή λειτουργίας Το LADAR μετρά το περιβάλλον του σε δισδιάστατες πολικές συντεταγμένες. Όταν μια δέσμη μέτρησης χτυπά ένα αντικείμενο, η θέση καθορίζεται σε σχέση με την απόσταση και την κατεύθυνση. Τα δεδομένα μέτρησης μπορούν να μεταφερθούν σε πραγματικό χρόνο στον συνδεδεμένο υπολογιστή για αξιολόγηση. Η σάρωση πραγματοποιείται σε τομέα 36. Το LADAR είναι φωτεινό. οι φυσικές επιφάνειες (για παράδειγμα ένας τοίχος λευκού σπιτιού) είναι περίπου. Μ. (Σύκο. ). Εικ.3. Μετασχηματισμός συντεταγμένων x' = r sinα y' = r cosα X = r sinα Y = r cosα cosϑ h sinϑ + b cosϑ Z = r cosα sinϑ + h cosϑ + b sinϑ () () Δ. Αλγόριθμοι προεπεξεργασίας Εικ.. Σάρωση του περιβάλλοντος Η απόσταση από το αντικείμενο υπολογίζεται από το χρόνο διάδοσης που απαιτείται από το φως από το σημείο στο οποίο εκπέμπεται η δέσμη έως ότου ληφθεί η ανάκλαση από τον αισθητήρα. Η κεφαλή του σαρωτή περιστρέφεται με συχνότητα 5 έως Hz (προγραμματιζόμενη). Ένας παλμός λέιζερ εκπέμπεται σύμφωνα με ένα βήμα μεταβλητής γωνίας, ενεργοποιώντας έτσι μια μέτρηση απόστασης. Η μέγιστη γωνιακή ανάλυση είναι.5. Αυτό ρυθμίζεται από τον κωδικοποιητή γωνίας στα 5,76 βήματα. Η γωνιακή ανάλυση μπορεί να επιλεγεί ως αναπόσπαστο πολλαπλάσιο του.5. Γ. Απόκτηση και ερμηνεία δεδομένων Η αρχή λειτουργίας και η δεδομένη ρύθμιση καθορίζουν μια εγγενή σειρά των δεδομένων που αποκτήθηκαν. Τα δεδομένα που προέρχονται από το D LADAR διατάσσονται αριστερόστροφα. Επιπλέον, οι σαρώσεις D (σαρωμένα επίπεδα) παραγγέλνονται λόγω της περιστροφής. Κατά τη λήψη οριζόντιων προφίλ, το LADAR στέλνει πακέτα δεδομένων CAN, με διαφορετικές χρήσιμες πληροφορίες, μεταξύ των οποίων ζεύγη δύο επί δύο τιμών για την απόσταση και την αντίστοιχη γωνία. Η τιμή της απόστασης αντιπροσωπεύεται από μια δυαδική τιμή 6-bit με ανάλυση (πλάτος βήματος) 3,9 mm (/56 m). Η γωνία αντιπροσωπεύεται επίσης από μια δυαδική τιμή 6-bit με ένα Διαφορετικοί αλγόριθμοι προεπεξεργασίας για ανίχνευση γραμμής και επιφάνειας εφαρμόστηκαν στα δεδομένα. Ο πρώτος αλγόριθμος είναι ένας απλός αλγόριθμος αντιστοίχισης που τρέχει σε O(n) (n είναι ο αριθμός των σημείων), με μικρές σταθερές. Ο αλγόριθμος υλοποιεί μια απλή σύγκριση μήκους. Τα δεδομένα του LADAR (σημεία a,a, a n ) ταξινομούνται αριστερόστροφα έτσι ώστε να αρκεί μία σύγκριση ανά σημείο. Υποθέτουμε ότι τα σημεία a i, a j βρίσκονται ήδη σε μια ευθεία. Για ένα j+ πρέπει να ελέγξουμε αν η συνθήκη στην Εξ. (3) είναι ικανοποιημένος. ai, a j+ j = at, at+ t i < ε ( j) Για να επιτευχθούν καλύτερα αποτελέσματα, αυτός ο αλγόριθμος εκτελείται σε προεπεξεργασμένα δεδομένα. Τα σημεία δεδομένων που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους ενώνονται έτσι ώστε η απόσταση από το ένα σημείο στο επόμενο σημείο να είναι σχεδόν ίδια. Αυτή η διαδικασία ελαχιστοποιεί τις διακυμάνσεις στα δεδομένα και μειώνει τα σημεία προς επεξεργασία. Ως εκ τούτου, αυτός ο αλγόριθμος εκτελείται πολύ γρήγορα, αλλά η ποιότητα των γραμμών είναι περιορισμένη. Η ποιότητα θα μπορούσε να αυξηθεί με πρόσθετη ανάλυση (χρησιμοποιώντας για παράδειγμα τον μετασχηματισμό Hough) των φωτογραφιών που λαμβάνονται με κάμερα κατά τη διαδικασία σάρωσης. Αφού γίνει η ανίχνευση γραμμής, τα δεδομένα μετατρέπονται σε 3D. Με βάση τις ανιχνευμένες γραμμές, ο ακόλουθος αλγόριθμος προσπαθεί να ανιχνεύσει επιφάνειες στην τρισδιάστατη σκηνή. Σαρώνοντας μια επίπεδη επιφάνεια, ο αλγόριθμος ανίχνευσης γραμμής θα επιστρέψει μια ακολουθία γραμμών σε διαδοχικές σαρώσεις D κατά προσέγγιση (3) 56

126Sašo Koceski και Nataša Koceska το σχήμα αυτής της επιφάνειας. Το καθήκον είναι να αναγνωρίσουμε τέτοιες δομές μέσα στην είσοδο τρισδιάστατων δεδομένων και να συνδέσουμε αυτές τις ανεξάρτητες γραμμές σε μια ενιαία επιφάνεια. Ο αλγόριθμος ανίχνευσης επιφάνειας προχωρά στα ακόλουθα βήματα: Το πρώτο σύνολο γραμμών - που προέρχεται από την πρώτη κιόλας σάρωση D - αποθηκεύεται. Κάθε άλλη γραμμή ελέγχεται με το σύνολο αποθηκευμένων γραμμών. Εάν βρεθεί μια γραμμή που ταιριάζει, αυτές οι δύο γραμμές μετατρέπονται σε επιφάνεια. 3. Εάν δεν υπάρχει τέτοια γραμμή αντιστοίχισης, η γραμμή μπορεί να είναι προέκταση μιας ήδη εντοπισμένης επιφάνειας. Σε αυτήν την περίπτωση, η νέα γραμμή ταιριάζει με την επάνω γραμμή μιας επιφάνειας. Αυτή η επάνω γραμμή αντικαθίσταται από τη νέα γραμμή, με αποτέλεσμα μια διευρυμένη επιφάνεια. 4. Διαφορετικά, η γραμμή αποθηκεύεται ως αυτόνομη γραμμή στο σετ που αναφέρεται παραπάνω. Για την επίτευξη δυνατοτήτων σε πραγματικό χρόνο, ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά των δεδομένων όπως προέρχονται από το LADAR, δηλαδή είναι η σειρά από τα σαρωμένα επίπεδα. Επομένως, οι γραμμές ταξινομούνται σε ολόκληρη τη σκηνή (σε σχέση με τη θέση τους εντός της εικονικής σκηνής) λόγω της κληρονομικής τους σειράς. Έτσι μπορεί να πραγματοποιηθεί μια αποτελεσματική τοπική αναζήτηση. Δύο κριτήρια πρέπει να πληρούνται για να ταιριάζουν οι γραμμές: Από τη μια πλευρά, τα τελικά σημεία της γραμμής που ταιριάζουν πρέπει να βρίσκονται εντός μιας ε-περιοχής γύρω από τα αντίστοιχα σημεία της δεδομένης γραμμής. Από την άλλη πλευρά, η γωνία μεταξύ των δύο γραμμών πρέπει να είναι μικρότερη από μια δεδομένη τιμή. Ο δεύτερος περιορισμός είναι απαραίτητος για τη σωστή ταξινόμηση των μικρών γραμμών, καθώς πληρούν πολύ εύκολα το κριτήριο της απόστασης. Αυτοί οι αλγόριθμοι επιτρέπουν στο ρομπότ ή σε έναν χρήστη να λαμβάνει πολλές πληροφορίες σχετικά με αντικείμενα στο τοπίο ακριβώς κατά τη διάρκεια της σάρωσης, κάτι που είναι απαραίτητο για τον σχεδιασμό διαδρομής και την αποφυγή σύγκρουσης κατά την κίνηση των κινητών ρομπότ μέσα σε εσωτερικά περιβάλλοντα. Ε. Αλγόριθμοι μετα-επεξεργασίας Οι αλγόριθμοι μετα-επεξεργασίας χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία μιας τρισδιάστατης αναπαράστασης πλέγματος του δωματίου που θα δώσει περισσότερες ποιοτικές πληροφορίες για την ασφαλή πλοήγηση των κινητών ρομπότ. Παρά τους προηγούμενους αλγόριθμους, αυτό το βήμα απαιτεί πληροφορίες για ολόκληρη τη σκηνή και πρέπει να γίνει αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία σάρωσης. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στον αλγόριθμο τριγωνοποίησης Delaunay που τυπικά προβάλλει το σύνολο δεδομένων σε ένα επίπεδο για την εύρεση των πιο πιθανών συνδέσεων μεταξύ στενών κορυφών και επανατοποθετεί στο διάστημα τις συνδεδεμένες κορυφές στο τέλος δημιουργώντας ένα τριγωνικό πλέγμα. Σε οποιοδήποτε στάδιο της διαδικασίας τριγωνοποίησης υπάρχει ένα υπάρχον τριγωνικό πλέγμα και ένα σημείο δείγματος για προσθήκη σε αυτό το πλέγμα. Η διαδικασία ξεκινά με τη δημιουργία ενός υπερτριγώνου, ενός τεχνητού τριγώνου που περιλαμβάνει όλα τα σημεία. Στο τέλος της διαδικασίας τριγωνισμού, τυχόν τρίγωνα που έχουν κοινές άκρες με το υπερτρίγωνο διαγράφονται από τη λίστα τριγώνων:. Όλα τα τρίγωνα των οποίων ο κύκλος περικλείει το σημείο που πρέπει να προστεθεί αναγνωρίζονται, οι εξωτερικές ακμές αυτών των τριγώνων σχηματίζουν ένα περίκλειστο πολύγωνο. (Ο κυκλικός κύκλος ενός τριγώνου είναι ο κύκλος που έχει τις τρεις κορυφές του τριγώνου που βρίσκονται στην περιφέρειά του). πολύγωνο. 3. Μετά την προσθήκη κάθε σημείου υπάρχει καθαρό κέρδος δύο τριγώνων. Έτσι, ο συνολικός αριθμός των τριγώνων είναι διπλάσιος από τον αριθμό των σημείων δείγματος. (Αυτό περιλαμβάνει τα υπερτρίγωνα, όταν τα τρίγωνα που μοιράζονται τις άκρες με το υπερτρίγωνο διαγράφονται στο τέλος, ο ακριβής αριθμός των τριγώνων θα είναι μικρότερος από το διπλάσιο του αριθμού των κορυφών, ο ακριβής αριθμός εξαρτάται από τη διαταραχή του σημείου δείγματος). Ο αλγόριθμος τριγωνοποίησης μπορεί να περιγραφεί σε ψευδοκώδικα ως εξής: υπορουτίνα τριγωνική είσοδος: έξοδος λίστας κορυφών: λίστα τριγώνων αρχικοποίηση της λίστας τριγώνων προσδιορισμός του υπερτριγώνου προσθήκη κορυφών υπερτριγώνων στο τέλος της λίστας κορυφών προσθήκη του υπερτριγώνου στη λίστα τριγώνων για κάθε δείγμα σημείο στη λίστα κορυφής αρχικοποιήστε την προσωρινή μνήμη άκρων για κάθε τρίγωνο που βρίσκεται αυτή τη στιγμή στη λίστα τριγώνων, υπολογίστε το κέντρο και την ακτίνα του κυκλικού τριγώνου εάν το σημείο βρίσκεται στον κύκλο του τριγώνου και, στη συνέχεια, προσθέστε τις τρεις άκρες τριγώνου στην προσωρινή μνήμη άκρων αφαιρέστε το τρίγωνο από τη λίστα τριγώνων endif endfor διαγράψτε όλες τις διπλά καθορισμένες άκρες από την προσωρινή μνήμη άκρων αυτό αφήνει την άκρη του περικλείοντος πολυγώνου προσθέστε μόνο τη λίστα τριγώνων όλα τα τρίγωνα που σχηματίζονται μεταξύ του σημείου και των άκρων του περικλείοντος πολυγώνου endfor αφαίρεση τυχόν τριγώνων από τη λίστα τριγώνων που χρησιμοποιούν τις κορυφές υπερτριγώνων αφαιρέστε οι κορυφές υπερτριγώνων από τη λίστα κορυφών τέλος Τα παραπάνω μπορούν να βελτιωθούν με διάφορους τρόπους για να γίνουν πιο αποτελεσματικά. Η πιο σημαντική βελτίωση είναι η προεπιλογή των σημείων δειγματοληψίας κατά μία συντεταγμένη, η συντεταγμένη που χρησιμοποιείται θα πρέπει να είναι μία με το μεγαλύτερο εύρος δειγμάτων. Εάν ο άξονας X χρησιμοποιείται για προ-ταξινόμηση, τότε μόλις η συνιστώσα x της απόστασης από το τρέχον σημείο έως το κέντρο του κύκλου είναι μεγαλύτερη από την ακτίνα του κύκλου, αυτό το τρίγωνο δεν χρειάζεται ποτέ να ληφθεί υπόψη για μεταγενέστερα σημεία. Με την παραπάνω βελτίωση, ο αλγόριθμος που παρουσιάζεται εδώ θα πρέπει να αυξάνεται με τον αριθμό των σημείων να είναι περίπου O(N.5 ). Ο αλγόριθμος δεν απαιτεί μεγάλη ποσότητα εσωτερικής αποθήκευσης. Ο αλγόριθμος απαιτεί μόνο έναν εσωτερικό πίνακα και αυτός είναι ένας λογικός πίνακας σημαιών για τον εντοπισμό εκείνων των τριγώνων που δεν χρειάζεται πλέον να ληφθούν υπόψη. 563

127Creation of 3D environment models for mobile robots using a laser scanner for measuring time of flight (TOF) III. EXPERIMENTAL RESULTS The scan shown in Figure 4, which represents the interior of our laboratory in the form of a cloud of points, was obtained by our system with the following settings: Resolution -.5 x.5; Frequency Hz. The scan covers an area of ​​8(h)x6(v) degrees and includes total points. The wireframe of the entire scene after triangulation contains 3795 triangles. Details of a part of the same scene in the form of a wire network are shown in Fig. 5. A standard computer with an AMD Athlon 64.4 GHz processor and GB RAM was used. The software based on the above algorithm was developed in C++ using the Computational Geometry Algorithm Library (CGAL) and VTK (The Visualization Toolkit) which are freely available data processing and visualization libraries. Figure 4. Representation of the point cloud of the indoor environment V. FUTURE WORK Future work on the one hand concerns hardware modifications and system additions. First of all, it is planned to replace the current servo control with a stepper motor that could be connected to the computer via the CAN bus or USB connection. In this way, we will avoid using a DAQ card and reduce the cost of the solution. It also allows you to use the camera to take photos. This would lead to efficient texture mapping of scanned environments and objects. On the other hand, it is planned to implement the improvement of existing algorithms and algorithms for generating terrain maps and extracting features from scans. REFERENCES [] S. Thrun, D. Fox, W. Burgard, A real-time algorithm for mobile robot mapping with application to multi-robot and 3D mapping, in: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), San Francisco, California, April. [] D. Hähnel, W. Burgard, S. Thrun, Learning compact 3D models of indoor and outdoor environments with a mobile robot, in: Proceedings of the Fourth European Workshop on Advanced Mobile Robots (EUROBOT), Lund, Sweden, September. [3] C. Früh, A. Zakhor, Generating 3D models for cities using aerial photographs and ground-level laser scanning, in: Proceedings of the Computer Vision and Pattern Recognition Conference (CVPR), Kauai, Hawaii, December. [4] G. Guidi, J.-A. Beraldin, C. Atzeni, High-precision 3D modeling of cultural heritage: the digitization of Donatello's Maddalena, IEEE Transactions on Image Processing, vol. 3-3, 4, p [5] Terzopoulos, D., Computation of visible surface representation. IEEE Transactions on PAMI, Vol., No 4, 988. [6] G. Guidi, J.-A. Beraldin, S. Ciofi, C. Atzeni, Range Camera Fusion and Photogrammetry: A Systematic Procedure for Improving the Metric Accuracy of 3D Models, IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics Part B-Cybernetics. Vol. 33-4, 3, p. [7] VTK ( [8] CGAL ( fig. 5. Details of the environment in the form of a wire mesh IV. CONCLUSION In this paper, a cheap, accurate and reliable 3D sensor). and methods for modeling the environment are presented. With the proposed approach, navigation and recognition of a mobile robot it could be significantly improved. The 3D sensor is built on the basis of a D TOF laser scanner, which detects the environment intact, without the need for landmarks. .the presented algorithms provide an accurate grid view of the input data, where specific objects can be easily identified.564

128Σχεδιασμός σερβο-συστήματος ταχύτητας υψηλής απόδοσης με χρήση εκτιμητή ενεργών διαταραχών Boban Veselić και Čedomir Milosavljević Περίληψη Αυτή η εργασία εξετάζει το σχεδιασμό ενός ψηφιακά ελεγχόμενου σερβο-συστήματος υψηλής απόδοσης, που διαθέτει γρήγορη απόκριση χωρίς υπέρβαση. Η προτεινόμενη δομή ελέγχου περιέχει τον κύριο ελεγκτή PI και τον εκτιμητή ενεργών διαταραχών, για περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής απόρριψης διαταραχών. Η ανταπόκριση που προκύπτει πληροί τις απαιτήσεις υψηλής απόδοσης. Το σχεδιασμένο σύστημα ελέγχου επαληθεύεται πειραματικά στον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα επαγωγής. Λέξεις-κλειδιά Servo-system, Velocity control, Digital PI controller, disturbance estimator. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής έχουν επιβάλει πιο αυστηρές απαιτήσεις στις επιδόσεις των σερβο-συστημάτων. Τα σερβο-συστήματα ταχύτητας σε εφαρμογές υψηλής απόδοσης πρέπει να συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις γρήγορης απόκρισης χωρίς υπέρβαση, υψηλής ακρίβειας σταθερής κατάστασης, καλής απόρριψης εξωτερικών διαταραχών και ανθεκτικότητας σε διαταραχές παραμέτρων. Γενικά, ένα σερβοσύστημα πρέπει να έχει τουλάχιστον έναν καθαρό ολοκληρωτή εντός του κλειστού βρόχου. Δεδομένου ότι η εγκατάσταση ελέγχου σε ένα σερβοσύστημα ταχύτητας δεν έχει ιδιότητα ολοκλήρωσης, οι ελεγκτές PI χρησιμοποιούνται συμβατικά. Αυτό το σερβοσύστημα δεν έχει σφάλμα σταθερής κατάστασης στις αναφορές βημάτων και απορρίπτει πλήρως τα σταθερά φορτία. Εκτός από το τυπικό απλό περίγραμμα ρύθμισης, ελεγκτές δύο μοιρών ελευθερίας βρήκαν τις εφαρμογές τους σε σερβο-συστήματα [], προκειμένου να βελτιώσουν την ευρωστία. Οι αποκρίσεις αναφοράς και διαταραχής μπορούν να σχεδιαστούν χωριστά χρησιμοποιώντας αυτήν τη δομή ελέγχου. Παρόμοια αποτελέσματα ελήφθησαν χρησιμοποιώντας την αρχή του εσωτερικού μοντέλου και τον εσωτερικό έλεγχο μοντέλου, συνδυασμένα στη δομή IMPACT []. Μια άλλη προσέγγιση στην αντιστάθμιση διαταραχών είναι η εισαγωγή εκτιμητών διαταραχών [3], που μπορεί να ερμηνευθεί ως ειδική περίπτωση των δύο παραπάνω δομών. Αυτή η εργασία ασχολείται με το σχεδιασμό ενός ψηφιακά ελεγχόμενου σερβο-συστήματος υψηλής ταχύτητας. Εξετάζονται και οι δύο μέθοδοι σχεδιασμού τοποθέτησης πόλου και ακύρωσης μηδενικού πόλου του ελεγκτή PI. Για περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής απόρριψης διαταραχών εισάγεται ένας ενεργός εκτιμητής διαταραχής [4]. Εξασφαλίζονται γρήγορη απόκριση χωρίς υπέρβαση και εξαιρετικές ιδιότητες απόρριψης διαταραχών. Το προτεινόμενο σερβοσύστημα επαληθεύεται πειραματικά στον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα επαγωγής. II. ΔΟΜΗ ΣΕΡΒΟ-ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Τα περισσότερα σερβο-συστήματα ταχύτητας, ανεξαρτήτως της χρησιμοποιούμενης κίνησης, μπορούν να περιγραφούν από το απλοποιημένο γενικευμένο σχήμα μπλοκ που απεικονίζεται στο Σχήμα. Η δομή καταρράκτη αποτελείται από δύο διακριτούς βρόχους ελέγχου. Ο εσωτερικός βρόχος ελέγχου ρεύματος, υπεύθυνος για την επαρκή παραγωγή ροπής, περικλείεται από έναν κύριο βρόχο ελέγχου ταχύτητας. Το εύρος ζώνης του εσωτερικού βρόχου είναι συνήθως πολύ υψηλότερο από το εύρος ζώνης του βρόχου ταχύτητας, επομένως η τρέχουσα δυναμική του υποσυστήματος ελέγχου μπορεί να αγνοηθεί στον σχεδιασμό του κύριου ελεγκτή. Ωστόσο, η δυναμική καθυστέρηση του υποσυστήματος εσωτερικού ελέγχου έχει κάποιο αντίκτυπο στη συνολική δυναμική του συστήματος, ενεργώντας ως μη μοντελοποιημένη δυναμική εντός του βρόχου ελέγχου ταχύτητας. Ο τρέχων βρόχος πραγματοποιείται συνήθως με ένα εύρος ζώνης γύρω στα khz, εφαρμόζοντας τον ελεγκτή PI. Δεδομένου ότι οι εξωγενείς διαταραχές, όπως η ροπή φορτίου M o (t), εισέρχονται απευθείας στον βρόχο ελέγχου ταχύτητας, ο ελεγκτής ταχύτητας PI χρησιμοποιείται συνήθως για την εξάλειψη του σφάλματος σταθερής κατάστασης στην περίπτωση διαταραχών που μοιάζουν με βήματα. Εικ.. Δομή του σερβο-συστήματος γενικευμένης ταχύτητας Ενθαρρυμένη από την τεράστια τεχνολογική πρόοδο των μικροελεγκτών, η ψηφιακή εφαρμογή αλγορίθμων ελέγχου υπερνικά την αναλογική αντίστοιχη. Η σωστή ανάλυση συστήματος θα πρέπει να πραγματοποιείται σε πεδίο διακριτού χρόνου. Το μπλοκ διάγραμμα ενός σερβο-συστήματος ψηφιακά ελεγχόμενης ταχύτητας δίνεται στο Σχήμα. Το G r (z) είναι μια συνάρτηση μεταφοράς διακριτού χρόνου του ψηφιακού ελεγκτή, το G h ( s) είναι η συνάρτηση μεταφοράς δείγματος και αναμονής, το k T είναι μια σταθερά ροπής , J και B είναι ροπή αδράνειας και συντελεστής ιξώδους τριβής, αντίστοιχα. Ως εκ τούτου, η δυναμική του κινητήρα περιγράφεται από τη συνάρτηση πρώτης τάξης G ( s) = k m / ( + stm ), όπου k = k B είναι κέρδος κινητήρα και T m = J / B είναι σταθερά χρόνου. m T / Ο Boban Veselić είναι με τη Σχολή Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Niš, Σερβία, Ο Čedomir Milosavljević είναι με τη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Vuka Karadžića 3, Lukavica, 73 Istočno Sarajevo, Βοσνία και Ερζεγοβίνη, Εικ.. Ψηφιακά ελεγχόμενη ταχύτητα σερβοσύστημα 565

129Σχεδιασμός σερβο-συστήματος ταχύτητας υψηλής απόδοσης με χρήση εκτιμητή ενεργού διαταραχής Εάν η ροπή φορτίου είναι μια συνάρτηση βήματος ή μεταβάλλεται αργά μεταξύ δύο διαδοχικών στιγμών δειγματοληψίας, κάτι που ισχύει για μικρές περιόδους δειγματοληψίας, το μοντέλο διακριτού χρόνου του συστήματος κλειστού βρόχου δίνεται ως Gr ( z) G( z) G( z) Y ( z) = R( z) M + G ( z) G( z) + G ( z) G( z) G( z) = { r { G km ( α) ( s) G( s)}} =, a = e z a ( z), T s / Tm h r oe, () του συστήματος κλειστού βρόχου πρέπει να είναι μεγαλύτερο από τη σταθερά χρόνου του κινητήρα. Αυτό είναι απαράδεκτο δεδομένου ότι η έννοια του ελέγχου ανάδρασης είναι να βελτιωθεί ώστε να μην υποβαθμιστεί η δυναμική του συστήματος, επομένως ο επιθυμητός πόλος πρέπει να βρίσκεται εντός της περιοχής < z < a. Αυτό εισάγει το κυρίαρχο μηδέν, το οποίο προκαλεί ανεπιθύμητη υπέρβαση. Σημειώστε ότι η απόκριση του συστήματος σε σχέση με τη ροπή φορτίου είναι απαλλαγμένη από ανεπιθύμητο μηδέν. όπου T s υποδηλώνει περίοδο δείγματος και M oe = M o / kt. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ψηφιακός ελεγκτής PI χρησιμοποιείται εντός του βρόχου ελέγχου ταχύτητας. Η συνάρτηση μεταφοράς ελεγκτή ορίζεται όπου z k p z b k p Gr ( z) = k p + ki =, b =, () z b z k + k k p, k i είναι κέρδη αναλογικής και ολοκληρωτικής δράσης. p i III. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗ Σύμφωνα με τις απαιτήσεις υψηλής απόδοσης, που αναφέρθηκαν στην εισαγωγή, οι παράμετροι του ελεγκτή () πρέπει να ρυθμιστούν ώστε να παρέχουν γρήγορη κρίσιμη απεριοδική απόκριση. Λόγω της () (), χαρακτηριστική εξίσωση + G r ( z) G( z) = είναι δεύτερης τάξης, της οποίας οι ρίζες z, z (πόλοι του συστήματος κλειστού βρόχου ()) καθορίζουν την απόκριση του συστήματος. Όπως είναι γνωστό, η δυναμική του συστήματος δεύτερης τάξης καθώς και η φύση της απόκρισής του ορίζονται από το διπλό ς, ω n, που αντιπροσωπεύει τον σχετικό συντελεστή απόσβεσης και την μη απόσβεση φυσική συχνότητα, αντίστοιχα. Οι πόλοι κλειστού βρόχου δίνονται από το s, = ζω n ± ωn ζ. Στην περίπτωση κρίσιμης απεριοδικής απόκρισης, ζ = απόδοση διπλού πραγματικού πόλου s = s = ω n. Στην περιοχή διακριτού χρόνου αυτοί οι πόλοι ωn s αντιστοιχίζονται σε θέσεις z = z = e T, < z. Για να λάβετε την επιθυμητή δυναμική κλειστού βρόχου που ορίζεται από το z χρησιμοποιώντας την τεχνική σχεδιασμού τοποθέτησης πόλου [5], τα k p και k i του () θα πρέπει να είναι k p a z z + z =, ki =, (3) k (a) k (a) m που έχει ως αποτέλεσμα ένα δυναμική κλειστού βρόχου της μορφής z z km ( a)( z ) Y z) = ( + a z) R( z) M ( z) oe,(4) ( z z ) ( z z ) ( που δείχνει ότι οι επιθυμητοί πόλοι είναι εξασφαλισμένοι. Κατά συνέπεια, προκύπτει ένα μηδέν z = ( a z ) /( + a z) στην απόκριση σε σχέση με την αναφορά. Η θέση του εξαρτάται από τη θέση του επιθυμητού πόλου z, ο οποίος απεικονίζεται στο Σχ. 3. Για το μηδέν z να μην είναι κυρίαρχο , η συνθήκη z < z πρέπει να ισχύει. Σύμφωνα με το σχήμα 3, η έγκυρη επιλογή του επιθυμητού πόλου z είναι a < z < a που δίνει T < / ω < T. Αυτό δείχνει ότι η χρονική σταθερά m n m m Σχ. 3. Θέση του μηδέν με σε σχέση με τη θέση του επιλεγμένου πόλου Μια προσέγγιση για την εξάλειψη υπέρβασης είναι η εισαγωγή φιλτραρίσματος σήματος αναφοράς, το οποίο θα επιβραδύνει το σύστημα.Αυτό είναι αντιφατικό με τις απαιτήσεις υψηλής απόδοσης Μια άλλη προσέγγιση σχεδιασμού είναι η μέθοδος ακύρωσης μηδενικού πόλου, [5]. Συγκεκριμένα, τα κέρδη του ελεγκτή θα πρέπει να ρυθμιστούν με τέτοιο τρόπο ώστε ο ελεγκτής μηδέν b ακυρώνει τον πόλο εγκατάστασης a, ( b = a ), και το κέρδος k p καθορίζει τη θέση του επιθυμητού πόλου κλειστού βρόχου z 3. Επομένως, οι παράμετροι του ελεγκτή λαμβάνονται με τη μορφή a( z z = (5) 3) 3 k p, ki = km (a) km Η συμπεριφορά του συστήματος κλειστού βρόχου στη συνέχεια περιγράφεται από z3 km ( a)( z ) Y ( z) = R( z) M oe ( z). (6) z z ( z a)( z z ) 3 Το σύστημα έχει δυναμική πρώτης τάξης που ορίζεται από τον επιθυμητό πόλο z 3 ως προς την αναφορά, παρέχοντας γρήγορη απόκριση χωρίς υπέρβαση. Ωστόσο, η πλήρης ακύρωση δεν συμβαίνει σε όρο που σχετίζεται με διαταραχές, ο οποίος περιγράφεται από τη δυναμική δεύτερης τάξης. Επιπλέον, η συμπεριφορά σε σχέση με τη διαταραχή καθορίζεται από τον αργό πόλο του φυτού z = a, ο οποίος είναι πλέον κυρίαρχος. Η απόκριση αναφοράς είναι αρκετά ικανοποιητική, ενώ η δυναμική απόρριψης διαταραχής είναι απαράδεκτη. Για να αποκτήσετε σερβοσύστημα υψηλής απόδοσης, είναι απαραίτητο να βελτιωθεί η απόδοση απόρριψης διαταραχών. IV. ΕΝΕΡΓΟΣ ΕΚΤΙΜΗΤΗΣ ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ Ένας τρόπος βελτίωσης της ευρωστίας του συστήματος σε διαταραχές παραμέτρων και εξωγενείς διαταραχές είναι η εισαγωγή του εκτιμητή διαταραχών. Η έννοια του εκτιμητή διαταραχών είναι ότι οι εξωτερικές διαταραχές και οι αβεβαιότητες του μοντέλου, που συνήθως θεωρούνται ως ισοδύναμη διαταραχή, μπορούν να είναι αποτελεσματικά 3 566

130Οι Boban Veselić και Čedomir Milosavljević αντιστάθμισαν την ανατροφοδότηση της εκτιμώμενης αξίας. Εξετάστε τη δομή ελέγχου στο Σχ. 4, που αποτελείται από μια πραγματική εγκατάσταση G (z) και έναν εκτιμητή διαταραχών στον τοπικό βρόχο. Η ισοδύναμη διαταραχή q αξιολογείται εντός του εκτιμητή διαταραχών χρησιμοποιώντας διακριτή συνάρτηση μεταφοράς του ονομαστικού μοντέλου εγκατάστασης G n (z). Μια τοπική ανάδραση για την αντιστάθμιση διαταραχής κλείνει μέσω του ψηφιακού φίλτρου G k (z). Λόγω των αβεβαιοτήτων των παραμέτρων της εγκατάστασης, η αναντιστοιχία μεταξύ του πραγματικού εργοστασίου και του ονομαστικού μοντέλου υπάρχει αναπόφευκτα. Το πραγματικό φυτό μπορεί να περιγραφεί ως G(z) = Gn (z)( + δg( z)), όπου η διαταραχή περιορίζεται από το πολλαπλασιαστικό όριο του jωt δg( e ) γ ( ω), ω, π / T. Η έξοδος της εγκατάστασης είναι αβεβαιότητα [ ] Ανάλογα με τον εφαρμοζόμενο ελεγκτή μέσα στον εκτιμητή, υπάρχει ένα συγκεκριμένο σφάλμα μεταξύ q και qˆ σε γενικές περιπτώσεις, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να συμβεί πλήρης ισοδύναμη απόρριψη διαταραχής και η ληφθείσα συμπεριφορά της εγκατάστασης είναι σχεδόν ονομαστική. Gn ( z)( + δg( z)) Y ( z) = U ( z) + G ( z) G ( z) δg( z) k n Gn ( z) ( + δg( z)) ( Gk ( z) Gn ( z)) + M + G ( z) G ( z) δg( z) k n oe ( z). (7) Ας υποθέσουμε ότι το G ( ) k z = Gn ( z), δηλαδή το ψηφιακό φίλτρο αντιπροσωπεύει την ονομαστική αντίστροφη δυναμική εγκατάστασης. Χρησιμοποιώντας το (7) η παραγωγή της εγκατάστασης γίνεται Y ( z) = Gn ( z) U ( z), που δείχνει ότι οι διαταραχές απορρίπτονται πλήρως και προκύπτει η ονομαστική συμπεριφορά της εγκατάστασης. Δυστυχώς, αυτό το G k (z) δεν είναι ένα αιτιακό φίλτρο, το οποίο δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί. Είναι προφανές από το (7) ότι η διαταραχή του μοντέλου δ G(z) επηρεάζει τη σταθερότητα του συστήματος. Η ευρωστία της προτεινόμενης δομής έναντι των αβεβαιοτήτων του μοντέλου περιορίζεται, επομένως, στο επίπεδο της διαταραχής του μοντέλου δ G(z) ποσοτικοποιημένο με κατάλληλο τρόπο για τον οποίο η συνάρτηση μεταφοράς εισόδου-εξόδου (7) παραμένει σταθερή. Εικ. 5. Σερβοσύστημα με εκτιμητή ενεργών διαταραχών V. ΣΥΝΘΕΣΗ ΣΕΡΒΟ-ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το προτεινόμενο σερβοσύστημα απεικονίζεται στο Σχ. 5. Και οι δύο ελεγκτές, στον κύριο βρόχο Gr ( z) και εντός του εκτιμητή G r ( z), διέπει την ονομαστική εγκατάσταση και το μοντέλο, αντίστοιχα, καθώς ο εκτιμητής διαταραχών αναγκάζει την πραγματική εγκατάσταση να παρουσιάσει ονομαστική συμπεριφορά. Ως εκ τούτου, πανομοιότυποι ελεγκτές σχεδιασμένοι για μια ονομαστική εγκατάσταση μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον κύριο βρόχο καθώς και στον εκτιμητή. Για λόγους απλότητας των εκφράσεων ας υποθέσουμε ότι η αναγνώριση παραμέτρων εγκατάστασης γίνεται σωστά και οι αβεβαιότητες παραμέτρων δεν είναι σημαντικές, ( δ G ). Η προτεινόμενη δυναμική του σερβο-συστήματος δίνεται στη συνέχεια από το Gn ( z) Gr( z) Y ( z) = R( z) + G ( z) G ( z) n ( + G n r ( z) G r G ( z) n ( z)) ( + G n ( z) G r M ( z)) oe ( z). (8) Εικ. 4. Δομή του εκτιμητή ψηφιακών διαταραχών Στο [4] προτείνεται ένας εκτιμητής ενεργών διαταραχών, όπου το παθητικό ψηφιακό φίλτρο G k (z) αντικαθίσταται με ένα υποσύστημα ενεργού ελέγχου, Εικ. 5. Το σήμα qˆ είναι μια εκτίμηση του αντισταθμιζόμενου μέρους της ισοδύναμης διαταραχής. Εάν ο ελεγκτής G r ( z) διασφαλίζει q ˆ = q, ισχύει U e ( z) = Gn ( z) Q( z), που είναι ισοδύναμο με την παθητική δομή με το ιδανικό ψηφιακό φίλτρο G ( z) = G ( z). Ως εκ τούτου, λαμβάνεται η ονομαστική συμπεριφορά του φυτού, k n Y ( z) = Gn ( z) U ( z). Από την άποψη του σχεδιασμού ελέγχου, το πρόβλημα της ισοδύναμης αντιστάθμισης διαταραχών μετατρέπεται εδώ σε πρόβλημα ελέγχου παρακολούθησης με σήμα αναφοράς q (k). Σαφώς από το (8), η απόδοση του συστήματος σε σχέση με την αναφορά κατευθύνεται μόνο από τον κύριο ελεγκτή και είναι πανομοιότυπη με τον εκτιμητή συστήματος χωρίς διαταραχές (Εικ., εξ. ()). Εφόσον η μέθοδος σχεδιασμού ακύρωσης οδηγεί σε ικανοποιητική απόκριση στην αναφορά, ο κύριος ελεγκτής μπορεί να πραγματοποιηθεί ως τύπος PI (εξ. ()) με τις παραμέτρους συντονισμένες σύμφωνα με το (5). Ωστόσο, και οι δύο ελεγκτές συμμετέχουν στην απόρριψη διαταραχών. Δεδομένου ότι ο κύριος ελεγκτής έχει ήδη ενσωματωμένη δράση, σε περίπτωση εξωγενών διαταραχών που μοιάζουν με βήμα, αρκεί ο εκτιμητής ελεγκτής να είναι τύπου P, G r ( z) = k p. Το κέρδος k p συντονίζεται χρησιμοποιώντας την τεχνική τοποθέτησης πόλου, όπου z 4 είναι ο επιθυμητός πόλος που εισάγεται από τον εκτιμητή. Κατά συνέπεια, k p a z4 =. (9) k (a) m 567

131Σχεδιασμός σερβο-συστήματος ταχύτητας υψηλής απόδοσης με χρήση εκτιμητή ενεργών διαταραχών Με τους ελεγκτές συντονισμένους σύμφωνα με τα (5) και (9), η δυναμική του σερβοσυστήματος γίνεται z3 km ( a)( z ) Y ( z) = R( z) M oe ( z ). () z z ( z z )( z z ) 3 Είναι προφανές ότι η προτεινόμενη δομή με εκτιμητή ενεργών διαταραχών προσφέρει τη δυνατότητα λήψης και των δύο αποκρίσεων, όσον αφορά τις διαταραχές αναφοράς και τις εξωγενείς διαταραχές, αποδεκτές για σερβο-συστήματα υψηλής απόδοσης. Δεν προκύπτει υπέρβαση και η δυναμική του συστήματος ορίζεται πλήρως από τους ελεύθερα υιοθετημένους πόλους z 3, z 4. Για την πλήρη απόρριψη εξωγενών διαταραχών που μοιάζουν με ράμπα, ο ελεγκτής εκτιμητή πρέπει να είναι τύπου PI με τις παραμέτρους που ορίζονται με εξ. (3). Στη συνέχεια, η δυναμική του συστήματος περιγράφεται από το 3 4 Τέλος, ο εκτιμητής ενεργών διαταραχών ενεργοποιείται στο τρίτο πείραμα (Εικ. 6. ίχνος (3)). Ο κύριος ελεγκτής PI παραμένει αμετάβλητος από το προηγούμενο πείραμα, ενώ ο ελεγκτής P στον εκτιμητή ρυθμίζεται εφαρμόζοντας την τοποθέτηση πόλων υπό την συνθήκη z 4 = z3, με αποτέλεσμα k p =. 34 δυνάμει του (9). Το προτεινόμενο σερβο σύστημα είναι ανώτερο από τα άλλα δύο, με γρήγορη απόκριση ταχύτητας χωρίς υπέρβαση και εξίσου γρήγορη δυναμική στην απόρριψη διαταραχών. z3 km( a)( z ) Y z) = R( z) M oe( z). () z z ( z z )( z z ) ( 3 3 VI. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης δομής ελέγχου έχει διερευνηθεί με πειράματα, τα οποία έχουν διεξαχθεί σε σερβοσύστημα με τριφασικό σύστημα, 5Hz,.37kW, Seiber LS7 κινητήρας επαγωγής με ονομαστική ροπή 3 Nm Το τμήμα ελέγχου του σερβο-συστήματος πραγματοποιείται από την πλακέτα ελεγκτή R&D DS4 DS4 Χρησιμοποιείται έμμεσος διανυσματικός έλεγχος ροής ρότορα του επαγωγικού κινητήρα. Το σχήμα ελέγχου περιλαμβάνει μέτρηση ρευμάτων δύο γραμμής και γωνίας άξονα ρότορα θέση, μετασχηματισμοί συντεταγμένων, κυκλώματα αποσύνδεσης, ηλεκτρικός εκτιμητής γωνίας, δύο τοπικοί βρόχοι ελέγχου ρεύματος με εύρος ζώνης Hz και συχνότητα δειγματοληψίας khz και ένας κύριος βρόχος ελέγχου ταχύτητας με συχνότητα δειγματοληψίας khz. Παραβλέποντας βρόχους ελέγχου ρεύματος μαζί με άλλες μη μοντελοποιημένες δυναμικές και μη γραμμικότητες, υπάρχουν Σε ένα τέτοιο σύνθετο σύστημα, σε ορισμένες προσεγγίσεις το σύστημα ελέγχου ταχύτητας μπορεί να θεωρηθεί ως ένα στο Σχ.. Σε αυτήν την αναπαράσταση οι παράμετροι κινητήρα είναι: k T =.648 Nm/A, J = kgm 4, B = 3 Nms/rad. Το σήμα αναφοράς δίνεται με r (t) = h( t.5) rad/s και το σύστημα υπόκειται σε ροπή φορτίου M o (t) =.65 h( t.5) Nm, που είναι 5% της ονομαστικής ροπή. Στο πρώτο πείραμα (Εικ. 6., ίχνος ()), ο εκτιμητής ενεργών διαταραχών απενεργοποιείται και ο κύριος ελεγκτής PI σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας την τοποθέτηση πόλων. Η επιθυμητή δυναμική ορίζεται από ζ =, 4 ω n = rad/s ( z =. 98 ). k p =. 7, k i =.8 λαμβάνονται χρησιμοποιώντας το (3). Μια ανεπιθύμητη υπέρβαση προκύπτει λόγω του κυρίαρχου μηδενός z =. 99. Στη συνέχεια, ο κύριος ελεγκτής συντονίζεται με τη μέθοδο ακύρωσης στο δεύτερο πείραμα (Εικ. 6., ίχνος ()). Το επιθυμητό εύρος ζώνης Hz έχει ως αποτέλεσμα τον πόλο z 3 =. 939, που σύμφωνα με το (5) 5 δίνει k p =. 33, k i =.89. Το σύστημα έχει καλή απόκριση στην αναφορά, αλλά πολύ αργή δυναμική απόρριψης διαταραχής, που προκαλείται από μη ακυρωμένο φυτικό πόλο α. Εικ. 6. Βηματικές αποκρίσεις σερβο-συστήματος ταχύτητας VII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η εργασία εξετάζει το σχεδιασμό ενός σερβο-συστήματος υψηλής απόδοσης ταχύτητας με εκτιμητή ενεργών διαταραχών, του οποίου η εισαγωγή βελτιώνει δραστικά τη συμπεριφορά του συστήματος σε σχέση με εξωγενείς διαταραχές. Αυτό εξασφαλίζει γρήγορη απόκριση χωρίς υπέρβαση και η δυναμική του συστήματος καθορίζεται πλήρως από ελεύθερα υιοθετημένους πόλους. Η αναλυτικά προβλεπόμενη απόδοση έχει επαληθευτεί πειραματικά στην περίπτωση του σερβοσύστημα κινητήρα επαγωγής, στο οποίο υπάρχουν σημαντικά σφάλματα μοντελοποίησης και αβεβαιότητες παραμέτρων. Το προτεινόμενο σερβοσύστημα έχει επιδείξει εξαιρετική ιδιότητα απόρριψης εξωγενών διαταραχών καθώς και ανθεκτικότητα στις διαταραχές παραμέτρων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] T. Umeno, Y. Hory, Ισχυρός έλεγχος ταχύτητας σερβοκινητήρων συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιώντας σύγχρονο σχεδιασμό ελεγκτή δύο βαθμών ελευθερίας, IEEE Trans. on Ind. Electronics, Vol. 38, Νο. 5, σελ. 99. [] ΥΑ.Ζ. Tsypkin, U. Holmberg, Ισχυρός στοχαστικός έλεγχος με χρήση της αρχής εσωτερικού μοντέλου και εσωτερικού ελέγχου μοντέλου, Int. J. Control, Τομ. 6, Νο. 4, σελ. 89-8, 995. [3] Y. Choi, Κ. Yang, W.K. Chung, H.R. Kim, H. Suh, On the robustness and performance of disturbance Observers for second-order system, IEEE Trans. Automatic Control, Vol. 48, Αρ., σελ. 35-3, 3. [4] B. Veselić, Č. Milosavljević, D. Mitić, Σχεδίαση ισχυρού σερβο-συστήματος με βάση τον έλεγχο λειτουργίας ολίσθησης διακριτού χρόνου με εκτιμητή ενεργών διαταραχών, Transactions on Automatic Control and Computer Science, Vol. 5, Αρ., σελ. 5-, 5. [5] K. Ogata, Discrete-time control systems, N. Jersey, Prentice-Hall International, Inc.,

132Βέλτιστος έλεγχος με χρήση νευρωνικών δικτύων D. Toshkova και P. Petrov Περίληψη Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με το πρόβλημα της σύνθεσης βέλτιστου ελέγχου με χρήση νευρωνικών δικτύων. Λέξεις κλειδιά νευρωνικά δίκτυα, βέλτιστος έλεγχος І. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία δέκα χρόνια δημοσιεύτηκε ένας μεγάλος αριθμός εργασιών που ασχολούνται με την εφαρμογή νευρωνικών δικτύων για βέλτιστη σύνθεση ελέγχου για φυτά, των οποίων η δυναμική περιγράφεται με γραμμικές και μη γραμμικές συνήθεις και μερικές διαφορικές εξισώσεις. Καθορίζεται από την κύρια ιδιότητα των νευρωνικών δικτύων να προσεγγίζει οποιαδήποτε γραμμική και μη γραμμική συνάρτηση. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα νευρωνικά δίκτυα είναι τα νευρωνικά δίκτυα feedforward. Μια άλλη δομή που επίσης εφαρμόζεται είναι το επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο. Εμφανίζεται μια τάση για έναρξη χρήσης ενός ευρύτερου φάσματος δομών που σχετίζεται με την ανάπτυξη νέων δομών. ΙΙ. ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΝΕΥΡΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Στο [6] παρουσιάζεται μια έρευνα των δυνατοτήτων χρήσης νευρωνικών δικτύων για μοντελοποίηση, αναγνώριση και έλεγχο των συστημάτων. Εδώ θα αναφερθούν μόνο ο βέλτιστος έλεγχος απόφασης και ο έλεγχος πρόβλεψης μοντέλου. Στην περίπτωση ελέγχου πρόβλεψης μοντέλου, η εγκατάσταση μοντελοποιείται μέσω ενός νευρωνικού δικτύου. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο νευρωνικών δικτύων, η μελλοντική απόκριση της εγκατάστασης προβλέπεται σε έναν καθορισμένο χρονικό ορίζοντα. Με βάση την προβλεπόμενη μελλοντική απόκριση, ένας καθορισμένος δείκτης απόδοσης ελαχιστοποιείται για να επιτευχθεί ο βέλτιστος έλεγχος. Στην περίπτωση ελέγχου βέλτιστης απόφασης, ο χώρος καταστάσεων διαιρείται σε ξεχωριστές περιοχές, στις οποίες η δράση ελέγχου θεωρείται σταθερή. Η επιφάνεια ελέγχου πραγματοποιείται μέσω μιας διαδικασίας εκπαίδευσης των νευρωνικών δικτύων. Στο μοντέλο [4] εξετάζεται ο βέλτιστος προγνωστικός ελεγκτής για μη γραμμικά διακριτά συστήματα. Χρησιμοποιείται ένα μπλοκ για την πραγματοποίηση της κατάστασης εισόδου του συστήματος, το οποίο μετατρέπει το σύστημα σε τετραγωνικό σύστημα με ίσο αριθμό εισόδων και καταστάσεων προκειμένου να αναπτυχθεί ο βέλτιστος ελεγκτής ορίζοντα υποχώρησης που οδηγεί σε μείωση του όγκου των υπολογισμών σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς βέλτιστους ελεγκτές. Ένας μη γραμμικός νόμος ανάδρασης προκύπτει όπου ένα νευρωνικό δίκτυο στον βρόχο ανάδρασης χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της βέλτιστης ενέργειας εισόδου. Η παραγόμενη είσοδος προσεγγίζει τη λύση η οποία είναι ελάχιστη σε σχέση με τη συνάρτηση τετραγωνικού κόστους με παραμέτρους Daniela G. Toshkova, Department Production Automatization, Technical University of Varna, Studentska Str., 9 Varna, Bulgaria, Petar D. Petrov , Τμήμα Αυτοματοποίησης Παραγωγής, Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βάρνας, Studentska Str., 9 Varna, Bulgaria ελέγχει τις τελικές καταστάσεις, την τιμή και τη διακύμανση της ενέργειας εισόδου για τους σκοπούς ελέγχου. Παρουσιάζεται μια ανάλυση της τοπικής σταθερότητας και ευρωστίας του ελεγκτή. Στο [] εξετάζεται το πρόβλημα του προσδιορισμού των βέλτιστων ελέγχων για μη γραμμικά δυναμικά συστήματα χρησιμοποιώντας νευρωνικά δίκτυα. Μέσα από μερικά παραδείγματα καταδεικνύονται οι δυνατότητες των νευρωνικών δικτύων για on-line επίλυση των βέλτιστων προβλημάτων ελέγχου. Στο μεγαλύτερο μέρος των δημοσιεύσεων [, 3,,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ] το βέλτιστο πρόβλημα ελέγχου προκύπτει με τη χρήση της μεθόδου δυναμικού προγραμματισμού και οι λύσεις που λαμβάνονται προσεγγίζονται με τη χρήση νευρωνικών δικτύων. Αν και οι παρουσιαζόμενες νέες προσεγγίσεις φέρουν διαφορετικά ονόματα προσαρμοστική κριτική μεθοδολογία [,,, 3, 4, 5, 6], νευροδυναμικός προγραμματισμός [3], νευρωνική δυναμική βελτιστοποίηση [, ] δεν διαφέρουν ουσιαστικά μεταξύ τους. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι λύνεται το λεγόμενο πρόβλημα κατάρας της διάστασης. Η μεθοδολογία προσαρμοστικής κριτικής εισάγεται στο []. Ο νόμος ελέγχου για γραμμικό ή μη γραμμικό σύστημα καθορίζεται μέσω της διαδοχικής προσαρμογής δύο νευρωνικών δικτύων δικτύου δράσης και κριτικού δικτύου. Το δίκτυο δράσης αποτυπώνει τη σχέση μεταξύ κατάστασης και ελέγχου και το κριτικό νευρωνικό δίκτυο συλλαμβάνει τη σχέση μεταξύ κατάστασης και κόστους. Μέσω αυτής της μεθοδολογίας καθορίζεται ο νόμος ελέγχου για ένα μεγάλο σύνολο αρχικών συνθηκών. Δεν είναι απαραίτητο ο νόμος ελέγχου να προσδιορίζεται αναλυτικά. Το νευρωνικό δίκτυο που χρησιμοποιείται (πολυστρωματικό perceptron) δεν χρειάζεται εξωτερική εκπαίδευση. είναι απαραίτητο να είναι προκαταρκτικά γνωστή η λειτουργική μορφή του νόμου ελέγχου. Στο [] παρουσιάζονται οι απαραίτητες συνθήκες ώστε οι λύσεις που λαμβάνονται μέσω της μεθοδολογίας προσαρμοστικής κριτικής να συγκλίνουν και αποδεικνύεται ότι η λύση που προκύπτει είναι η βέλτιστη. Στο [, 5] αναπτύσσεται η μεθοδολογία π.μ. για συστήματα κατανεμημένων παραμέτρων. Στο [3] η μέθοδος εφαρμόζεται για τη βέλτιστη σύνθεση ελέγχου για συστήματα κατανεμημένων παραμέτρων, των οποίων η δυναμική περιγράφεται από συζευγμένες μη γραμμικές μερικές διαφορικές εξισώσεις. Στο [4] χρησιμοποιείται η ορθή έννοια της ορθογώνιας αποσύνθεσης για την αναγωγή του κατανεμημένου συστήματος παραμέτρων σε ομαδοποιημένο σύστημα παραμέτρων νόμου. Το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου επιλύεται έγκαιρα μέσω της εφαρμογής του προσαρμοστικού αλγορίθμου κριτικής. Στη συνέχεια η λύση ελέγχου δίνεται στο χωρικό πεδίο χρησιμοποιώντας τις ίδιες ορθογώνιες συναρτήσεις. Στο [6] επεξεργάζεται ο προσαρμοστικός αλγόριθμος κριτικής. Αποδεικνύεται ότι η αναγκαιότητα δράσης των νευρωνικών δικτύων πέφτει. Στο [7] περιγράφονται τρεις μέθοδοι προσαρμοστικής κριτικής, οι οποίες χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό νευρωνικών ελεγκτών ευρετικός δυναμικός προγραμματισμός, διπλός ευρετικός προγραμματισμός και παγκοσμιοποιημένος διπλός ευρετικός προγραμματισμός. Προτείνονται δύο τροποποιήσεις του παγκοσμιοποιημένου διπλού ευρετικού προγραμματισμού καθώς και η γενικευμένη διαδικασία εκπαίδευσης. Οι προσεγγίσεις που αναπτύχθηκαν δεν διαφέρουν ουσιαστικά από τη μεθοδολογία 569

133Βέλτιστος έλεγχος με χρήση νευρωνικών δικτύων που προτείνεται στο []. Και στις δύο προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται δύο νευρωνικά δίκτυα για την προσέγγιση της λύσης για τη βέλτιστη δράση ελέγχου και τα κρίσιμα νευρωνικά δίκτυα. Η μόνη διαφορά είναι ότι χρησιμοποιείται ένα επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο αντί του πολυστρωματικού perceptron. Στο [8] η προσέγγιση αναπτύσσεται για διακριτικά κατανεμημένα συστήματα παραμέτρων. Επιπλέον, ο αλγόριθμος επεξεργάζεται και η αναγκαιότητα δράσης των νευρωνικών δικτύων όπως στο [6] απορρίπτεται. Στο [, ] η νευρωνική δυναμική βελτιστοποίηση παρουσιάζεται ως μέθοδος σύνθεσης βέλτιστου ελέγχου ανάδρασης για μη γραμμικά συστήματα MIMO. Το κύριο χαρακτηριστικό της νευρωνικής δυναμικής βελτιστοποίησης είναι ότι η λύση για τη βέλτιστη ανάδραση, η ύπαρξη της οποίας αποδεικνύεται μέσω της μεθόδου δυναμικού προγραμματισμού προσεγγίζεται με τη χρήση νευρωνικών δικτύων. Στο [] περιγράφεται το υπόβαθρο και τα κίνητρα για την ανάπτυξη της νευρωνικής δυναμικής βελτιστοποίησης και στο [] παρουσιάζεται η θεωρία νευρωνικής δυναμικής βελτιστοποίησης. Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι οι μεγάλες απαιτήσεις μνήμης, αν και αυτή η απαίτηση δεν είναι τόσο σοβαρή σε σύγκριση με την κλασσική μέθοδο δυναμικού προγραμματισμού. Μια άλλη μεθοδολογία που έχει για θεωρητική βάση τον δυναμικό προγραμματισμό και χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα για προσέγγιση είναι ο λεγόμενος νευροδυναμικός προγραμματισμός Σύμφωνα με τον ορισμό που δίνεται στο [3], ο νευροδυναμικός προγραμματισμός δίνει τη δυνατότητα στους ανθρώπους να μάθουν πώς να παίρνουν καλές αποφάσεις παρατηρώντας τις δικές τους συμπεριφορά και χρησιμοποιούν ενσωματωμένους μηχανισμούς για τη βελτίωση των ενεργειών τους μέσω ενός μηχανισμού ενίσχυσης. Αυτή η μεθοδολογία χρησιμοποιείται όχι μόνο για την επίλυση των βέλτιστων προβλημάτων ελέγχου αλλά για μια ευρύτερη κατηγορία προβλημάτων. Στο [9] εισάγεται ένα επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο για το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου Ν-σταδίου. Το πρώτο βήμα της παρουσιαζόμενης προσέγγισης είναι η επαναδιατύπωση του προβλήματος βέλτιστου ελέγχου Ν-σταδίου και στη συνέχεια χρησιμοποιείται η μέθοδος gradient για την εξαγωγή της δυναμικής εξίσωσης του επαναλαμβανόμενου νευρωνικού δικτύου. Αν και η προσέγγιση επιτρέπει την απόκτηση λύσεων σε πραγματικό χρόνο, έχει δύο μειονεκτήματα. Πρώτον, λείπει η αυστηρή μαθηματική ανάλυση για τη σταθερότητα του νευρωνικού δικτύου. Δεύτερον, πρέπει να διερευνηθεί ένα νευρωνικό δίκτυο που συνδυάζει τη δομή του προβλήματος βέλτιστου ελέγχου σταδίου Ν και μια ταχύτερη μέθοδο βελτιστοποίησης. Στο [] μια προσέγγιση για σύνθεση βέλτιστου ελέγχου για μη γραμμικά συστήματα, η οποία ενσωματώνει το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου σταδίου Ν καθώς και την προσέγγιση μηχανών διανυσμάτων ελαχίστου τετραγώνου υποστήριξης για χαρτογράφηση του χώρου καταστάσεων σε χώρο δράσης. Χρησιμοποιούνται SVM με πυρήνα συνάρτησης ακτινικής βάσης. Η λύση χαρακτηρίζεται από ένα σύνολο μη γραμμικών εξισώσεων. Δίνεται μια εναλλακτική διατύπωση ως περιορισμένο πρόβλημα μη γραμμικής βελτιστοποίησης σε λιγότερο άγνωστα, μαζί με μια μέθοδο για την επιβολή τοπικής σταθερότητας στο σχήμα ελέγχου LS SVM. Τα πλεονεκτήματα του ελέγχου LS SVM είναι ότι δεν χρειάζεται να καθοριστεί αριθμός κρυφών μονάδων για τον ελεγκτή και ότι δεν χρειάζεται να καθοριστούν κέντρα για τους πυρήνες Gauss κατά την εφαρμογή της συνθήκης Mercer. Η κατάρα της διάστασης αποφεύγεται σε σύγκριση με τον καθορισμό ενός κανονικού πλέγματος για τα κέντρα σε κλασικά δίκτυα συναρτήσεων ακτινικής βάσης. Αυτό γίνεται σε βάρος της λήψης της τροχιάς των μεταβλητών κατάστασης ως πρόσθετων αγνώστων στο πρόβλημα βελτιστοποίησης, ενώ οι κλασικές προσεγγίσεις νευρωνικών δικτύων συνήθως οδηγούν σε προβλήματα παραμετρικής βελτιστοποίησης. Στη μεθοδολογία SVM ο αριθμός των αγνώστων ισούται με τα δεδομένα εκπαίδευσης, ενώ στον αρχικό χώρο ο αριθμός των αγνώστων μπορεί να είναι απεριόριστης διάστασης. Ένα μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ο μεγάλος αριθμός των αγνώστων. Στο [5] εξετάζεται το πρόβλημα του βέλτιστου ελέγχου πολλαπλών σταδίων. Το πρόβλημα επιλύεται με τη χρήση νευρωνικών δικτύων κυματιδίων (WNN) καθώς οι δυνατότητές τους για εκμάθηση και γενίκευση συναρτήσεων είναι μεγαλύτερες. Ο νόμος ελέγχου προσεγγίζεται χρησιμοποιώντας WNN. Το Langragian είναι κατασκευασμένο με σκοπό από το βέλτιστο πρόβλημα ελέγχου να φτάσει στο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Εισάγεται ένα βάρος για τη ρύθμιση της ισορροπίας μεταξύ του συστήματος ελέγχου και της καλής του απόδοσης χρησιμοποιώντας το WNN για τη χαρτογράφηση της συνάρτησης από το χώρο κατάστασης στον χώρο δράσης μετά τον οποίο επιτυγχάνεται ο βέλτιστος έλεγχος. Η τιμή του βάρους έχει επίδραση στο αποτέλεσμα της προσομοίωσης. Στο [9] προτείνεται μια διαδραστική ασαφής ικανοποιητική μέθοδος για τη λύση ενός πολυσκοπικού βέλτιστου για ένα γραμμικό κατανεμημένο σύστημα παραμέτρων που διέπεται από εξίσωση αγωγιμότητας θερμότητας. Προκειμένου να περιοριστεί το πρόβλημα ελέγχου σε ένα κατά προσέγγιση πρόβλημα γραμμικού προγραμματισμού πολλαπλών αντικειμένων, χρησιμοποιείται ένας αριθμητικός τύπος ολοκλήρωσης και εισάγονται οι κατάλληλες βοηθητικές μεταβλητές. Λαμβάνοντας υπόψη την αόριστη φύση της ανθρώπινης κρίσης, ο υπεύθυνος λήψης αποφάσεων θεωρείται ότι έχει ασαφείς στόχους για τις αντικειμενικές συναρτήσεις. Έχοντας δημιουργήσει τις αντίστοιχες γραμμικές συναρτήσεις μέλους μέσω της αλληλεπίδρασης με τον λήπτη αποφάσεων, εάν ο λήπτης απόφασης καθορίσει τις τιμές ιδιότητας μέλους αναφοράς, η αντίστοιχη βέλτιστη λύση Pareto μπορεί να ληφθεί λύνοντας τα προβλήματα ελάχιστης τιμής. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια διαδραστική ασαφής ικανοποιητική μέθοδος βασισμένη σε γραμμικό προγραμματισμό για την αποτελεσματική εξαγωγή μιας ικανοποιητικής λύσης για τον λήπτη αποφάσεων από ένα σύνολο βέλτιστων λύσεων Pareto. Στο [3] προτείνεται μια προσέγγιση για σύνθεση βέλτιστου ελέγχου, στην οποία ένα ασαφές νευρωνικό δίκτυο χρησιμοποιείται ως ελεγκτής μέσω προσομοίωσης της διαδικασίας του ελεγχόμενου συστήματος. Στο [] εξετάζεται ο σχεδιασμός ενός ρυθμιστή βασισμένου σε νευρωνικά δίκτυα για μη γραμμικές εγκαταστάσεις. Τόσο οι ρυθμιστές ανάδρασης κατάστασης όσο και εξόδου με ντετερμινιστικές και στοχαστικές διαταραχές έχουν διερευνηθεί. Ως μη γραμμικός ελεγκτής έχει χρησιμοποιηθεί ένα πολυστρωματικό νευρωνικό δίκτυο τροφοδοσίας. Η εκπαίδευση του νευρωνικού δικτύου χρησιμοποιεί την έννοια των λεγόμενων τμηματικών παραγώγων. Η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βέλτιστη σύνθεση ελέγχου για φυτά με περιορισμούς κατάστασης και ελέγχου. Στο [7] παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος βασισμένος στο νευρωνικό δίκτυο για μια διακριτική σύνθεση βέλτιστου περιορισμένου ελέγχου για μη γραμμικά συστήματα. Στο [5] προτείνεται ένας αλγόριθμος επαναλαμβανόμενης μάθησης για βέλτιστη σύνθεση ελέγχου για συνεχή δυναμικά συστήματα. Οι σχεδιασμένοι ελεγκτές έχουν τη μορφή ξεδιπλωμένων επαναλαμβανόμενων νευρωνικών δικτύων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος μάθησης χαρακτηρίζεται από τη δομή των διπλών εμπρός επαναλαμβανόμενων βρόχων για την επίλυση τόσο των χρονικών επαναλαμβανόμενων όσο και των επαναλαμβανόμενων προβλημάτων δομής. Το πρώτο πρόβλημα προκύπτει από τη φύση των γενικών προβλημάτων βέλτιστου ελέγχου, όπου οι αντικειμενικές συναρτήσεις συχνά σχετίζονται (αξιολογούνται) με κάποια συγκεκριμένα και όχι όλα τα χρονικά βήματα ή μόνο καταστάσεις συστήματος. Αυτό προκαλεί απώλεια σημάτων εκμάθησης σε ορισμένα χρονικά βήματα ή καταστάσεις συστήματος. Το δεύτερο πρόβλημα οφείλεται στη διακριτοποίηση υψηλής τάξης των συνεχών συστημάτων από το Runge-Kutta 57

134Μέθοδος D. Toshkova και P. Petrov που εκτελείται για την αύξηση της ακρίβειας ελέγχου. Η διακριτοποίηση μετατρέπει το σύστημα σε πολλά πανομοιότυπα υποδίκτυα διασυνδεδεμένα μεταξύ τους, σαν ένα επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο που επεκτείνεται στον άξονα του χρόνου. Προκύπτουν δύο αλγόριθμοι επαναλαμβανόμενης μάθησης με διαφορετικές ιδιότητες σύγκλισης: οι αλγόριθμοι μάθησης πρώτης και δεύτερης τάξης. Η σταθερότητα και η στιβαρότητα των σχεδιασμένων ελεγκτών πρέπει να μελετηθούν λεπτομερώς. Στο [4] προτείνεται ένα πολυστρωματικό επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο για τη σύνθεση γραμμικών τετραγωνικών βέλτιστων συστημάτων ελέγχου με την επίλυση της εξίσωσης Riccati του αλγεβρικού πίνακα σε πραγματικό χρόνο. Το προτεινόμενο επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο αποτελείται από τέσσερα αμφίδρομα συνδεδεμένα στρώματα. Αποδεικνύεται ότι είναι ικανό να λύνει τις εξισώσεις Riccati του αλγεβρικού πίνακα, που επιτρέπει τη σύνθεση γραμμικών τετραγωνικών συστημάτων ελέγχου σε πραγματικό χρόνο. Στο [8] αναπτύσσεται μια νέα εναλλακτική για την εύρεση του βέλτιστου ελέγχου για διακριτά συστήματα, η οποία βασίζεται στη χρήση του συνεχούς νευρωνικού δικτύου του Hopfield (CNNH). Η τετραγωνική συνάρτηση κόστους μετατρέπεται σε ενεργειακή συνάρτηση του CNNH και ο έλεγχος είναι το διάνυσμα εξόδου του CNNH. Καθώς το CNNH λειτουργεί παράλληλα και σε πραγματικό χρόνο, η μέθοδος μπορεί να πληροί όλες τις απαιτήσεις για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο. ΙΙΙ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Ως συμπέρασμα της έρευνας της δημοσίευσης που εξετάζει το πρόβλημα σύνθεσης βέλτιστου ελέγχου για συστήματα κατανεμημένων παραμέτρων παραβολικού τύπου και επίσης εκείνων που συζητούν τη χρήση νευρωνικών δικτύων στα προβλήματα σύνθεσης βέλτιστου ελέγχου, μπορεί να σημειωθεί ότι τα ακόλουθα νευρωνικά δίκτυα επιτρέπουν τη βέλτιστη σύνθεση ελέγχου σε πραγματικός χρόνος.; Σημαντικά χαρακτηριστικά των νευρωνικών δικτύων είναι η ιδιότητά τους να είναι καθολικοί προσεγγιστές συναρτήσεων, αλλά από την άλλη πλευρά η καλή προσέγγιση εμποδίζεται από την πιθανότητα να παγιδευτούν σε ένα τοπικό ελάχιστο. Το πρόβλημα για την εφαρμογή των νευρωνικών δικτύων για τη σύνθεση του βέλτιστου ελέγχου για συστήματα κατανεμημένων παραμέτρων δεν διερευνάται εξ ολοκλήρου (εφόσον είναι γνωστό ότι συντάκτης μόνο μία προσέγγιση προτείνεται προσαρμοστικός κριτικός [-6]). Δεν επισημαίνεται με βεβαιότητα στις δημοσιεύσεις πόσο σταθερή είναι η προτεινόμενη απόδοση του ελεγκτή. ΑΝΑΦΟΡΑ [] Ahmed, S. and M.A. Al-Dajani, Neural Regulator Design, Neural Networks, 998, Vol., No.9, pp [] Balakrishnan, S. N. and V. Biega, Adaptive review Based Neural Networks, Proc. Είμαι. Contr. Conf., Seattle, WA, 995, pp [3] Bertsekas, D.P. και J.N. Tsiklis, Neuro-dynamic programming, Anthena Scientific, Belmont, Massachusetts,996 [4] Foley, D.C. and N. Sadegh, Short horizon optimal control of nonlinear systems, Proceedings of IEEE Conference on Decision and Control, 3, Vol., pp [ 5] Hu, X., H. Lue and J. He, Research on Multistage Optimal Control by Wavelet Neural Network, The Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, 6, Vol., pp [6] Hunt, K. J., D. Sbarbaro, R. Zbikowski and P. J. Gawthrop, Neural Networks for Control Systems A Survey, Automatica, 99, Vol. 8, Νο. 6, σελ. 83- [7] Irigoyen, Ε.; Galvan, J.B.; Perez-Ilzarbe, M.J., Neural networks for constrained optimal control of non-linear systems, Proceedings of the International Joint Conference on Neural Networks, IEEE, Piscataway, NJ, USA, Vol. 4, σελ [8] Li, Ming-Ai και Ruan Xiao-Gang Βέλτιστος έλεγχος με συνεχές νευρωνικό δίκτυο Hopfield, Πρακτικά σε 3 Διεθνές Συνέδριο IEEE για τη Ρομποτική, τα Ευφυή Συστήματα και την Επεξεργασία Σήματος, 3, Τόμος, σελ [9] Liao, L.-Z., A Reccurent Neural Network for N-stage Optimal Control Problems, Neural Processing Letters,999, Vol., pp [] Liu, Xin; Balakrishnan, S.N., Convergence analysis of adaptive review based optimal control, Proceedings of the American Control Conference, IEEE, Piscataway, NJ, USA,, Vol. 3, pp [] Narendra, K. S. and S. J. Brown, Neural Networks for Optimal Control, Proceedings of the 36th Conference on Decision and Control, San Diego, California, USA, 997, pp [] Padhi, R. and Balakrishnan, S.N., Infinite time optimal neuro control for distributed parameter systems, Proceedings of the American Control Conference, IEEE, Piscataway, NJ, USA,, Vol.6, pp [3] Padhi, R.; Balakrishnan, S.N., A systematic synthesis of optimal process control with neural networks, Proceedings of the American Control Conference,, Vol. 3, σελ [4] Padhi, Radhakan; Balakrishnan, S.N., Proper orthogonal decomposition based feedback optimize control synthesis of distributed parameter systems using neural networks, Proceedings of the American Control Conference,, Vol. 6, σελ [5] Padhi, R., S.N. Balakrishnan and T. Randolph, Adaptive Critic Based Optimal Neuro Control Synthesis for Distributed Parameter Systems, Automatica,, Vol. 37, pp [6] Padhi, R., Optimal Control of Distributed Parameter Systems Using Adaptive Critic Neural Networks, Dissertation, University of Missouri Rolla, [7] Prokhorov, D.V. και D. Wunsch, Adaptive Critic Designs, IEEE Transactions on Neural Networks, Σεπτέμβριος 997, σελ [8] Prokhorov, D.V., Optimal Neurocontrollers for Discretized Distributed Parameter Systems, Proceedings of the American Control Conference, 3, Vol., pp [9] Sakawa, M., M. Inuiguchi, K. Kato and T. Ikeda, An Interactive Fuzzy Satisficing Method for Multiobjective Optimal Control Problems in Linear Distributed Parameter Systems, Fuzzy Sets and Systems, 999, Vol., pp [] Seong, C. -Υ. και B. Widrow, Neural Dynamic Optimization for Control Systems Part I: Background, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Part B: Cybernetics,, Vol. 3, Νο. 4, σελ [] Seong, C.-Y. και B. Widrow, Neural Dynamic Optimization for Control Systems Part II: Theory, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Part B: Cybernetics,, Vol. 3, Νο. 4, σελ [] Suykens, J.A.K., J. Vandewalle and B. De Moor, Optimal Control by Least Squares Support Vector Machines, Neural Networks,, Vol.4, pp [3] Tam, Peter K.S.; Zhou, Z.J.; Mao, Z.Y., On designing a optimal fuzzy neural network controller using genetic algorithms, Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), Vol., pp [4] Wang J. and G. Wu, A Multilayer Reccurent Neural Network for Solving Continuous time algebraic Riccati Equations, Neural Networks, 998, Vol., pp [5] Wang, Y.-J. και C.-T. Lin, Reccurent Learning Algorithms for Designing Optimal Controllers of Continuous Systems, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Μέρος Α: Systems and Humans,, Vol. 3, Νο. 5, σσ

135This page is intentionally left blank. 57

136Some discrete problems in control theory Milica B. Naumović Abstract Methods of obtaining discrete equivalents for continuous time object models without and with time delay, as well as some algorithms for model conversion, are well known in the literature. The discretization and conversation method presented in this article illustrates the use of the VAN LOAN formula to construct a block triangular exponential matrix []. Keywords - Control mechanics, discretization problems, exponential matrix, time-delayed system, model conversion. I. INTRODUCTION In many control applications, it is useful to be able to find the exponential of a matrix in an efficient manner. Furthermore, the calculation of an integral involving an exponential matrix is ​​necessary, in order to find cost equivalents in optimal control theory, for example. Note that Van Loan's [] method for computing four characteristic integrals, based on the generation of a block exponential triangular matrix, can be practical in control theory. The exponential matrix is ​​anyway one of the most commonly calculated matrix functions [], and many algorithms, developed for this purpose so far, have poor numerical performance [3]. The method for computing the exponential of a certain block triangular matrix, according to Van Loan [], is given as follows: Theorem. Let n i, i =,,3,4 be positive integers and define m as their sum. If the triangular matrix C block m m is defined by A B C D } n A B C } n C = A3 B3 } n3, () A4 } n4 { { { n n n n 3 4 then for t F() t G() t H() t K ( ) t () t () t () t e Ct F G H =, () F3() t G3() t F4 () t where t F j () t = e A j, j =,, 3, 4 ( 3 ) Milica B. Naumović is from the Faculty of Electronics, University of Niš, Aleksandra Medvedeva 4, 8 Niš, Serbia, t j( t s) j+ s G () t = e A B e A ds, j =,, 3 (4) j j t Aj( t s) Aj+ ( s r) H j() t = e Cje d s (5) t s Aj( t s) Aj+ ( s r) Aj+ r + e Bje Bj+ e drd s , j =, t A( t s) A4s K() t = e De ds t s A( t s) 3( ) e A s r A ( s r) 4 e 3 e A r + C B + B C e drds ts r A( t s ) A( s r ) A3 e ( r w) A4w + Be Be B3e dwdrd s. (6) Conclusion of the theorem. Let A, B and Q c be real matrices of dimensions n n, n p and n n, respectively. Assume that T Qc = Qc and the positive half- that the matrix Q c is symmetrically ( ) defined ( xqx T c ). Following the previous theorem and combining different submatrices, it can be seen that the integral T T Q( T) = e A s e As Qc ds (7) can be calculated as Q(T) = F3(T) T G(T), (8 ) T A Q F( T) G( T) where exp c T =. (9) F3 ( T ) A The need to calculate the internal (7) appears in the optimal pattern data fitting problem, for example. It is possible to analytically calculate the exponential of low-dimensional matrices for an arbitrary sampling interval T. The advantage of analytical calculation is that the result is expressed in terms of different parameters and it is possible to examine the effect of changing these parameters. Recall that an arbitrary matrix function f ( C ) can be calculated using the well-known Cayley-Hamilton theorem. In addition, if the matrix C has different eigenvalues, the eigenvalue decomposition method can be used to calculate the matrix function [], [4]. In this paper, the problems of discretization of systems with continuous time without and with time delay are solved, as well as the transformation of the digital model by calculating the exponential series of some matrices of a special form. 573

137Some discrete problems in management theory II. DISCRETIZATION OF ANALOG PLANT MODELS For simplicity, without loss of generality, consider an n-order control object with one input and one output. It is convenient to introduce realization sets in the following way [5]: def N ( ) () s,, : G ( s) ( s ) S = A b d = c c c c c = d I Ac bc, () Dc () s def Nq ( z) (,, ): G ( z) ( z ) Sq = Aq bq d q = = d I Aq bq, () Dq ( z) where T A = Φ( T ) = e A c q, () and T A b = e cτ q bc d τ, (3) Ts e G ( z) G ( s) q = ZL γ. (4) s Thus, () represents the equivalent ZOH model for () in the sampling interval T, which is the so-called q-model for the continuous time system. Note that A q is a matrix exponent and the vector b q must be calculated by integration as shown in (3). However, it is interesting to note that both A q and b q can be calculated simultaneously using a simple exponential matrix. n+ n+ block matrix M as Definition ( ) ( ) Ac bc n M =, (5) {n where the zero in the lower left corner represents the n-dimensional row-zero vector. Then using Van Loan's formulas ()-(6) for the exponential matrix of M T one can find e T A M q bq =. (6) Thus, the digital model matrices A q and b q can be calculated as follows A = [ ] e M q bq I T, (7) while [ Ac bc ] = [ I ] M. (8) Example. We will use the procedure described in this section to compute the continuous-time model drives ( Ac, bc ) simultaneously based on the equivalent ZOH model for the object given by T T Aq bq = T, where T is the sampling period. To use (5)-(8), we create a matrix e T T M A b M = = q q = TT } which has an eigenvalue λ = with multiplicity m = 3. The matrix M is positive definite and the matrix 3 3 M can be written as a matrix logarithm M = f ( M) = ( ln M ) T. Some formulas based on the well-known Cayley-Hamilton theorem can be used to calculate this matrix function. That is, the matrix M can be written as a polynomial matrix of degree as follows M = α ( M) =α M +α M +α3, To calculate the coefficients α i, i =,,3 the scalar function f ( λ ) = (ln λ ) T, we need the polynomial al ( ) =al +al+α 3, as well as their first and second derivatives with respect to λ. These equations are calculated on the eigenvalue λ = as follows f () = α () =α +α +α 3 () () f () = T α () = α +α () () f () = T α () = α. When the values ​​α = T, α = T and α 3 = 3T are replaced, the result is T T T T 3 M = T + T = T T T Finally, A c and b c are extracted from the newly generated matrix M according to the partition shown in (5). Thus, we obtain a state space model ( Ac, bc ), with A c = and b = c for the double integrator setup considered. III. MODEL TRANSFORMATIONS Let the integer N denote the ratio between the slow sampling period T s and the fast sampling period T, ie. = s. Let ( A, b, d) N T T qs qs represent the slow discrete-time model of the corresponding continuous-time model (). A commonly used continued fraction matrix method to convert (Aq, bq, d) to (Ac, bc, d), for example, is [6]: Ac = ln Aq F T T (9) 4 3 F n n T I F 5 I F 5 L where is ( n)( + n) def F = A I A I The vector b c can be found by q q. () ( ) n bc = Ac Aq I bq. () 574

138The conversion of a high-speed digital model (A, b, d) to a low-speed digital model (A, b, d) Milica B. Naumović q q to qs qs with a slow sampling period T s can be performed as follows. By (), we have bq = ( Aq In ) Ac bc, which gives Ac bc = ( Aq In ) bq, and = ( n ) we get ( Aqs, bqs ) from ( Aq, bq ) as bqs Aqs AND Ac before CHRIST. Thus N Aqs = Aq () b A In A In b i = ( )( ) qs qs q q. (3) Note that the conversion of a fast digital model to a slow model can be achieved in another way using relation (6), i.e. N MT A b A b e s qs qs q q = =. (4) By induction it can be seen that N N N i Aq bq Aq = Aq b q i=. (5) Thus, the matrices of model T s and model T have the relation N Aqs = Aq and qs q q. (6) N i b = A b i = IV. DISCRIMINATOR OF A CONTINUOUS SYSTEM WITH TIME DELAY [( k ) T] Φ Γ Γ K x( kt ) x + ( ) ukt ( dt) ukt dt+ K M = M M M + M ukt ( ), ukt ( T) ​​​​​​​​​​ukt ( T ) ukt ( ) ukt ( T) ​​​​​​​​​​K (3) T where Φ = e A c τ T τ A ( T ') λ = e τ A Γ c e c A λ bc d λ, and Γ = e c bc d λ. (3) The output equation follows from (8) that x( kt ) ukt ( dt) ckt ( ) = [ d K ]. (33) M ukt ( T)​​​​Notice that the above equations (3) and (3) contain partitioned matrices. Each zero under the matrix Φ in (3) and (3) represents a row vector of n zeros. Recall that since the signal ut ( ) is piecewise constant over the sampling interval, the delayed signal ut ( τ ) is also piecewise constant. However, the delayed signal will change between sampling times as shown in the figure. Consider a time-delayed continuous-time system with one output and one input described in the state space by x& () t = Acx() t + bc u( t τ ) (7) ct () = dx () t. (8) It is assumed that the time delay is longer than the sampling period T. Let τ= d T +τ, (9) ( ) <τ T and ( ) where d is an integer. The discrete time transfer functions of the system with a non-integer delay during the sampling period are easily obtained using the modified Zz transformation [7]. The state space model in discrete time of the system (7)-(9) is given in the literature [8]-[], [4] with [( k ) T] x + Φ Γ x( kt ) Γ = + ukt ( ) for d=, ukt ( ) u[ ( k ) T ] (3) or when d, the equations are Sl. (7) in one sampling period to obtain the equivalent ZOH model, it is convenient to divide the integration interval into two parts, so that the control signal ut ( τ ) is constant in each part. Therefore, the motion of the considered dynamic system (7)-(9) in the interval kt t < ( k + ) T [ ] x( t) = Φ( t kt ) x( kt ) + Θ ( t kt ) in ( k ) T , kt t < kt +τ (34) and x() t = Φ( t kt τ ) x( kt +τ ) + Θ ( t kt τ) u( kt ), kt +τ t < ( k + ) T ( 35) where 575

139Some discrete problems in control theory Φ() t = e A c t and Θ( t λ ) = Φ( t υ) b c dy. (36) If we now replace t = kt +τ in (34) and t = ( k+ ) T in (35), we also get t λ [ ] x( kt +τ ) = Φ()( τ x kt) + Θ () τ in ( k ) T, (37) [ ] x ( k + ) T = Φ( T τ ) x( kt +τ ) + Θ ( T τ) in( kt). (38) It is clear that relations (37) and (38) can be expressed as a function of the matrices M and e M T , given by (5) and (6), as shown below: x( T +τ ) Aq bq x ( kt) ( kt) = = M e τ x ukt ( T) ​​ukt ( T) ​​ukt ( T) ​​(39) and [ k T] q q kt M( x ( + ) A b x( +τ ) T ) ( kt ) e τ x +τ = = ukt ( ) ukt ( ) ukt ( ) (4) Substituting (39) into (4) we get [( k+ ) T ] Aq bq Aqx( kt ) + bqu ( kt T ) x = ukt ( ) ukt ( ) AqAqx ( kt) + AqbqukT ( T)​​​​+ bqukt ( ) =. (4) ukt ( ) Note that we can calculate the product of matrix exponentials as follows: M( T ) M Aq bq Aq bq e τ e τ = (4) AqAq Aqbq+ bq =. Finally, equations (4)-(4) can be compared with (3)-(3) which results in Φ = AqAq Γ = bq (43) Γ = Aqbq. Example. Calculate the equivalent ZOH model for the following continuous time system with time delay x& () t = () t + u( t τ) x, where τ=. and T =.3. The matrix M defined in (5) is A b M = c c =. The exponential values ​​in the table are e τ e τ e Mτ A = q bq = τe τ e τ ( τ )e τ +, e T τ e T τ M( T e τ) A = q bq = ( T τ) e T τ e T τ ( T τ )e T τ +. Using (43), we get e T.35 Φ = A q A q = = T e T e T.45.35, e T τ.5 Γ = b q = = ( T )e T τ.5, τ + i e T τ ( e τ ).45 Γ = A q b q = = e T τ ( T ) e T ( T ).5. +τ + V. CONCLUSION This paper deals with the procedure for the simultaneous calculation of both matrices of the equivalent zero-order model q- (A q and b q ) using one matrix exponential. It is pointed out that there are numerous applications of this effective approach in some control tasks. REFERENCES [] C. Van Loan, Computing Integrals Involving the Matrix Exponential, IEEE Trans. Automatic. Contr., vol. AC-3, number 3, p. 978. [] G.H. Golub, C.F. Van Loan, Matrix Computations, Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD, 983. [3] C.B. Moler, C.F. Van Loan, "Nineteen Doubtful Ways to Compute Matrix Exponentials," SIAM Review, vol., no. 4, pp , 978. [4] R. J. Vaccaro, Digital Control, A State-Space Approach, McGraw-Hill, Inc., 995. [5] M.B. Naumović, M.R. Stojić, "Comparative study of finite word length effects in digital filter design via offset and delta transformation", Elektrotehnika, Archiv für Elektrotechnik, Vol. 8, no. 3-4, p. 3-6,. [6] L.S. Shieh, X.M. Zhao, J.W. Sunkel, "Hybrid state-space self-tuning control using dual-rate sampling", IEE Proc. Control Theory and Applications, Part D, Vol. 38, no., p. 5-58, 99. [7] E. I. Jury, Theory and application of the z-transform method, New York: Wiley, 964. [8] G.F. Franklin, J.D. Powell, Digital Control of Dynamic Systems, Reading, MA: Addison-Wesley, 98. [9] B. Wittenmark, Time-delayed system sampling, IEEE Trans. Automatic. Contr., vol. AC-3, no. 5, p. 57-5, 985. [] K.J. Åström, B. Wittenmark, Computer Controlled Systems - Theory and Design, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall,

140SESSION PTDS I Electricity transmission and distribution systems I


142Ένας αλγόριθμος για συζευγμένα ηλεκτρικά και θερμικά πεδία στη μόνωση των μεγάλων καλωδίων ισχύος Ion T. Cârstea και Daniela P. Cârstea Περίληψη Η διηλεκτρική θέρμανση προκαλείται από απώλειες λόγω τριβής της διαδικασίας μοριακής πόλωσης σε διηλεκτρικά υλικά. Ένα μολυσμένο διηλεκτρικό έχει μια πεπερασμένη αντίσταση έτσι ώστε το ρεύμα διαρροής στο διηλεκτρικό να θερμαίνει το διηλεκτρικό. Το πρόβλημα της θέρμανσης είναι ένα συνδεδεμένο θερμοηλεκτρικό πρόβλημα. Η εργασία παρουσιάζει έναν αλγόριθμο που βασίζεται σε ένα μοντέλο D για συζευγμένα πεδία στη μόνωση ενός μεγάλου καλωδίου τροφοδοσίας. Η μεταφορά θερμότητας στη μόνωση περιγράφεται από την εξίσωση αγωγιμότητας θερμότητας όπου οι πηγές θερμότητας είναι τόσο εσωτερικές πηγές που παράγονται από το ρεύμα διαρροής σε ένα ωμικό διηλεκτρικό όσο και οι οριακές πηγές θερμότητας του τύπου convective και Dirichlet/Neumann. Λέξεις-κλειδιά Συζευγμένα πεδία. Διηλεκτρική θέρμανση; Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αυτή η εργασία ασχολείται με τη θερμότητα που παράγεται από ωμικές απώλειες που παράγονται από το ηλεκτρικό πεδίο σε καλώδια υψηλής τάσης. Το πρόβλημα περιγράφεται από ένα συζευγμένο θερμοηλεκτρικό σύνολο εξισώσεων. Η σύζευξη μεταξύ των δύο πεδίων είναι η θερμική επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος ή μια ιδιότητα υλικού όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος υπολογισμού για συζευγμένα προβλήματα σε δύο διαστάσεις. Παρουσιάζεται ένας αριθμητικός αλγόριθμος βασισμένος στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM) που περιγράφει τη λύση δισδιάστατων συστημάτων. Στο παράδειγμά μας θεωρούμε μόνο σταθερό καθεστώς για το ηλεκτρικό πεδίο, αν και πολλά μεταβατικά καθεστώτα εμφανίζονται στη συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών συσκευών. Η υπόθεση είναι αποδεκτή επειδή οι σταθερές χρόνου για το ηλεκτρικό φαινόμενο είναι μικρότερες από τις σταθερές χρόνου για το θερμικό πεδίο. Το πρόβλημα της διηλεκτρικής θέρμανσης περιλαμβάνει δύο προσεγγίσεις:. Η χωρητική θήκη. Σε αυτήν την περίπτωση, όλα τα εμπλεκόμενα μέσα μόνωσης μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τέλεια διηλεκτρικά χωρίς δωρεάν χρεώσεις. Το μαθηματικό μοντέλο δίνεται από την εξίσωση Laplace, γραμμένη με το δυναμικό V. Η αγωγιμότητα του μέσου είναι μηδέν. Με άλλα λόγια, το διηλεκτρικό θεωρείται ότι είναι τέλεια μονωτικό, έτσι ώστε ούτε η διαπερατότητά του ούτε η συχνότητα τάσης έχουν σημασία. Η θήκη με αντίσταση. Σε αυτή την περίπτωση η αντιστασιακή συμβολή δεν είναι αμελητέα. Ο Ion T. Cârstea είναι μέλος της Σχολής Αυτοματισμών, Υπολογιστών και Ηλεκτρονικών. Craiova, str. Doljului 4, bl. C8c, sc., apt.7, judet Dolj, Ρουμανία, Η Daniela P. Cârstea συνεργάζεται με τον Industrial Group of Romanian Railways, Craiova, str. Brâncuşi nr. 5, Craiova, Romania, Θεωρούμε ένα ομοαξονικό καλώδιο με δύο μονωτικά στρώματα που μπορεί να είναι ατελή διηλεκτρικά. Το παράδειγμα στόχου μας επιλέγεται προκειμένου να συγκριθούν οι αναλυτικές λύσεις με τις αριθμητικές λύσεις. Κατά την εφαρμογή μιας τάσης U, το πεδίο αλλάζει από μια καθαρά χωρητική κατανομή σε ένα καθαρά ωμικό πεδίο. Το πεδίο μεταξύ του αρχικού και του τελικού έχει χρονική διακύμανση. Γενικά δεν υπάρχει τέλεια διηλεκτρική μόνωση ώστε να υπάρχει ρεύμα διαρροής. Οι ωμικές απώλειες προκαλούν τη διηλεκτρική θέρμανση. Ένα μοντέλο παράλληλου επιπέδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των ηλεκτρικών και θερμικών πεδίων. II. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να ληφθεί με προσέγγιση των εξισώσεων Maxwell. Αυτές οι προσεγγίσεις παίρνουν διαφορετικές μορφές ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού του εξοπλισμού. Κατά τη μοντελοποίηση αυτών των φυσικών συστημάτων πρέπει να λάβουμε υπόψη τόσο τα τέλεια διηλεκτρικά όσο και τα ατελή (ή μολυσμένα) διηλεκτρικά. Εικ.. Η περιοχή ανάλυσης Στο παράδειγμα στόχου μας, η περιοχή ανάλυσης απεικονίζεται στο Σχ.. Παρουσιάζεται το πλέγμα με τα τριγωνικά στοιχεία. Η κατανομή στατικού πεδίου μπορεί να μοντελοποιηθεί με τις ακόλουθες εξισώσεις: E = ; E = ρ J με: ρ - την ειδική αντίσταση του υλικού, E - την ηλεκτρική αντοχή και J την πυκνότητα ρεύματος. 579

143Ένας αλγόριθμος για συζευγμένα ηλεκτρικά και θερμικά πεδία στη μόνωση των μεγάλων καλωδίων ισχύος Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πεδίου D για μια ωμική κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου. Ένα ηλεκτρικό διανυσματικό δυναμικό P εισάγεται από τη σχέση [6]: J = P Η εξίσωση Laplace περιγράφει την κατανομή πεδίου (για ανισότροπα υλικά): P P ( ρ x ) + ( ρ y ) = () x x y y Μαθηματικό μοντέλο για το θερμικό πεδίο είναι η εξίσωση αγωγιμότητας: T T T ( k x ) + ( k y ) + q = γ c () x x y y t με: T (x, y, t) - θερμοκρασία στο σημείο με συντεταγμένες (x, y) τη στιγμή t; kx, ky θερμική αγωγιμότητα; γ-ειδική μάζα; γ ειδική θέρμανση. q πηγή θέρμανσης. Είναι προφανές ότι υπάρχει μια φυσική σύζευξη μεταξύ ηλεκτρικών και θερμικών πεδίων. Έτσι, η ειδική αντίσταση στην εξίσωση () είναι συνάρτηση του T, και η πηγή θέρμανσης q στο () εξαρτάται από το J. Αριθμητικά μοντέλα για τα δύο προβλήματα πεδίου μπορούν να ληφθούν με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για την κατανομή της θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκε μια επαναληπτική διαδικασία. Σε διηλεκτρικές εφαρμογές θεωρούμε την εξάρτηση της θερμοκρασίας με τη μορφή: σ = σ exp( αt ) exp( γe) όπου: σ σημαίνει την αγωγιμότητα σε θερμοκρασία C και ένταση πεδίου kv/mm. Το α υποδηλώνει τον συντελεστή εξάρτησης από τη θερμοκρασία και το γ τον συντελεστή εξάρτησης πεδίου. III. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Το διαφορικό μοντέλο δεν μπορεί να λυθεί αναλυτικά. Ένα αριθμητικό μοντέλο μπορεί να ληφθεί με τη διαδικασία του Galerkin. Γενικά, τα χρονικά εξαρτώμενα προβλήματα μετά από μια χωρική διακριτοποίηση μπορούν να οδηγήσουν σε ένα μοντέλο ομαδοποιημένων παραμέτρων. Για παράδειγμα, η εξίσωση θερμότητας, μετά από χωρική διακριτοποίηση, οδηγεί σε ένα σύστημα συνηθισμένων διαφορικών εξισώσεων με τη μορφή: T [ S ] + [ R] {} T + { b} = (3) t όπου [R] και [S ] είναι πίνακες και b είναι το διάνυσμα των ελεύθερων όρων. Ο αλγόριθμος στον ψευδοκώδικα έχει την ακόλουθη δομή:. Επιλέξτε την αρχική τιμή της θερμοκρασίας. Επανάληψη {Υπολογισμοί για ηλεκτρικό πεδίο} Υπολογισμός της ειδικής αντίστασης ρ Επίλυση του αριθμητικού μοντέλου για το ηλεκτρικό δυναμικό P {Υπολογισμοί για θερμικό πεδίο} Υπολογισμός της πηγής θέρμανσης q με () Λύστε το αριθμητικό μοντέλο για τη θερμοκρασία 3. Έως ότου το convergence_test είναι TRUE Η δοκιμή σύγκλισης είναι ο τελικός χρόνος της φυσικής διαδικασίας αλλά στον εσωτερικό βρόχο του κύκλου επαναλάβετε-μέχρι να έχουμε μια επαναληπτική διαδικασία γιατί η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται πολύ από τη θερμοκρασία Τ και το ηλεκτρικό πεδίο Ε. Παρουσιάζουμε το αριθμητικό μοντέλο για την εξίσωση θερμότητας. Μια χωρική διακριτοποίηση οδηγεί στη συνηθισμένη διαφορική εξίσωση (3). Η χρονική διακριτοποίηση της θερμοκρασίας μπορεί να ληφθεί με έναν τύπο πεπερασμένης διαφοράς: ( k) ( k ) T T T = t δt Με αυτήν την προσέγγιση, η εξίσωση θερμότητας () γίνεται: ( k ) ( k) ( n ) ( cγ ) T ( k ) ( γ γ) T = ( k T ) + + q δt Μια βελτίωση του αριθμητικού αλγορίθμου σε ψευδοκώδικα μπορεί να έχει την ακόλουθη μορφή:. Βάλτε τον μετρητή επανάληψης k και τον αρχικό χρόνο t.. k=k+ 3. Υπολογίστε την τιμή ειδικής αντίστασης. 4. Λύστε το αριθμητικό μοντέλο για το ηλεκτρικό δυναμικό P 5. Υπολογίστε την πηγή θερμότητας q στην εξίσωση. 6. Ενημερώστε το αριθμητικό μοντέλο για τη θερμοκρασία 7. Λύστε το αριθμητικό μοντέλο για το θερμικό πεδίο. Το αποτέλεσμα είναι η θερμοκρασία τη στιγμή t k. 8. Αυξήστε το χρόνο με το βήμα δt για να λάβετε το παρακάτω βήμα t k. 9. Εάν ο χρόνος t k είναι μικρότερος από το επιβαλλόμενο όριο του χρόνου, τότε μεταβείτε στο βήμα, διαφορετικά σταματήστε. IV. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το παράδειγμά μας είναι ένα καλώδιο συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) με δύο μονωτικά στρώματα. Το ρεύμα διαρροής στο διηλεκτρικό προκαλείται από την πεπερασμένη αντίσταση της διηλεκτρικής μόνωσης. Οι γεωμετρικές ιδιότητες του καλωδίου είναι: η εσωτερική ακτίνα του πρώτου στρώματος είναι 5 [mm]. η εσωτερική ακτίνα του δεύτερου στρώματος είναι 6 [mm]. η εξωτερική ακτίνα του δεύτερου στρώματος είναι [mm]. Οι φυσικές ηλεκτρικές ιδιότητες είναι: Η τάση του καλωδίου είναι U=5 [kv]; Η ειδική αντίσταση του πρώτου στρώματος είναι. 9 [Ω. m] Η ειδική αντίσταση του δεύτερου στρώματος είναι. [Ω. m] Οι φυσικές ιδιότητες είναι: Η θερμική αγωγιμότητα της πρώτης στρώσης είναι.7[w/k.m] Ειδική θερμότητα c=8 [J/Kg.K] Ειδική μάζα γ=3 [Kg/m 3 ] Θερμική αγωγιμότητα της δεύτερης στρώσης. είναι.7[w/k.m] Ειδική θερμότητα c=6 [J/Kg.K] Ειδική μάζα γ= [Kg/m 3 ] Στην εφαρμογή υψηλής τάσης το πεδίο έχει χωρητική κατανομή αρχικά [4]. Αυτή η κατανομή είναι για μικρό χρονικό διάστημα ώστε να μην ενδιαφέρει την κατανομή της θερμοκρασίας. Τέλος το πεδίο έχει μια ωμική κατανομή. Μεταξύ αυτών των ορίων υπάρχει ένα ενδιάμεσο πεδίο που μπορεί να υπολογιστεί με μια επαναληπτική διαδικασία. 58

144Ion T. Cârste and Daniel P. Cârste The domain of analysis is the isolation space. The symmetry of the problem can reduce the domain of analysis to a quarter (Fig. The heat source is the thermal effect of the current on the dielectric insulation and the load current of the cable. It is obvious that the resistive losses in the cable conductor are the most important source of heat. T = h( T T ) n C where h is the coefficient transfer, T - ambient temperature and C the boundary between the cable and the external medium. A. Constant heat flow In our first case, we assume that there is a constant heat flow at the conductor-insulation interface. The source of this flow is the Joule-Lenz effect of the charge on the wire. The mathematical model for heat transfer is conduction Figure 3. Final temperature in the radial direction Figure. Temperature versus time equation (). The boundary conditions are the Neumann condition at the conductor-insulation interface and convection in the boundary environment of the insulation. The Neumann condition can be calculated from the conductor losses in the case that the cable was loaded before the step voltage change, i.e. the current in the cable increased much earlier and the temperature distribution in the cable is constant. In this case, the heat flux value is calculated by the relation []: P cond p = πr with P cond - resistive losses per meter of cable in the inner conductor as the Joule-Lenz effect. Thus, the Neumann condition is: T = p n C where C is the interface between the wire conductor and the insulation. At the interface of the insulation and the environment, we consider convection convection of the form: In Fig. temperature versus time on the outer surface of the conductor, curve (green), and the surrounding surface curve (red). The time interval was 6 [s]. The transmission coefficient h was for an ambient temperature of 38 [K] (35 C). Figure 3 shows the final temperature distribution in the radial direction. The width of the insulation is 5 [mm]. B. Constant temperature Another practical assumption in electrical engineering is the Dirichlet boundary condition on the interface conductor insulation. For our target example, we assumed a constant surface temperature of the conductor and a convection current at the interface between the insulation and the surroundings. In the numerical simulation, the tube temperature was taken as C (373.6 K). Figure 4 shows the temperature versus time at two points of interest. The first curve marked (green) is the temperature on the outer surface of the first layer. The curve (red) represents the temperature on the outer surface of the cable. From an engineering point of view, the Neumann state assumption seems more realistic. The heat flux on the pipe surface can be estimated more accurately than the pipe temperature. An accurate model can be obtained by including pipelines in the analysis domain. This approach increases the computational effort. This case is presented in reference []. We introduced two-layer insulation. But in advanced technology the first layer on the conductor surface is 58

145Algorithm for coupled electric and thermal fields in semiconductor insulation of large power cables. In this way, the variation of the electric field in the interface between the conductor and the insulation is smooth. and thermal field. Numerical models were derived using the finite element method in D-space, and a cable with two insulating layers was considered as a target example. The insulation resistance was considered as the final value. In that case, the resistive losses of the leakage current in the insulation create additional losses. The main source of heat remains losses in the cable channel. As a first example, we considered a stable heat flow in the conductor-insulation interface. In practice, the heat flow depends on the temperature of the cable conductor. By numerical simulation, we can consider all practical cases in cable operating modes. In the second example, we considered a constant pipe temperature. REFERENCES Figure 4. Temperature versus time for the Dirichlet state In these two examples, we considered the stationary regime of the electric field. This is a practical situation, but there are cases where the voltage has stepwise fluctuations, so that the transient regime appears as a natural state [5]. V. CONCLUSION In this paper, we presented an algorithm for coupled electric and thermal fields in the insulation of large energy cables. The parallel plane model is also considered for the electric field [] Cârstea, D. CAD tools for magnetothermal and electric coupled fields. CNR-NATO research report. University of Trento. Italy, 4 [] Cârstea, D., Cârstea, I. CAD in electrical engineering. Finite element method. Editor SITECH.. Craiova, Romania. [3] *** QuickField program, version 5.3. Year 4. Page Web: Company: Tera Analysis [4] Cârstea, D., Cârstea, I. Finite element technique for calculating HVDC insulation parameters. In: Annals of the University of Arad, Romania. October. [5] Cârstea, D., Cârstea, I. Computer models for the electric field in HVDC cables. In: Proceedings of the National Energy Conference CNE M, October 9, Chisinau, Moldova. [6] Bastos, J.P.A., Sadowski, N., Carlson, R. A modeling approach to the coupled problem between electric current and its thermal effects. In: IEEE Transactions on Magnetics, vol.6, no., March

146Έλεγχος του ηλεκτρικού πεδίου στους συνδετήρες για τα καλώδια υψηλής τάσης Ion T. Cârstea και Daniela P. Cârstea Περίληψη Η εργασία παρουσιάζει την ανάλυση και τον έλεγχο του ηλεκτρικού πεδίου στους μηχανικούς συνδέσμους των καλωδίων υψηλής τάσης (HV). Στους ακροδέκτες του καλωδίου συμβαίνει μια ενίσχυση πεδίου επειδή ο πυρήνας έχει μια αιχμηρή άκρη και η θωράκιση διακόπτεται. Ένας μηχανικός σύνδεσμος συνδέει τα καλώδια και ελέγχει το ηλεκτρικό πεδίο χρησιμοποιώντας ειδικά υλικά για να εξασφαλίσει ομοιογενή κατανομή δυναμικού. Παρουσιάζουμε την ανάλυση του ηλεκτρικού πεδίου στους συνδετήρες και τον έλεγχο του ηλεκτρικού πεδίου χρησιμοποιώντας την τεχνολογία Raychem. Μια ασπίδα ημιαγωγών και ένας σωλήνας ελέγχου μπορούν να βελτιστοποιήσουν την κατανομή του πεδίου στους συνδέσμους καλωδίων και τους ακροδέκτες. Λέξεις-κλειδιά Αριθμητική ανάλυση; Καλώδια υψηλής τάσης; Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. Ο ρόλος του σωλήνα ελέγχου είναι να κάνει μια ομοιόμορφη κατανομή των γραμμών πεδίου και του ηλεκτρικού πεδίου στον ακροδέκτη. Το υλικό του σωλήνα έχει ειδική αντίσταση όγκου και διαπερατότητα ελεγχόμενη αυστηρά. Ο σωλήνας έχει μη γραμμική ειδική αντίσταση με συμπεριφορά βαρίστορ. Έχει άμεση επαφή με την ημιαγωγική θωράκιση κάθε ακροδέκτη των δύο καλωδίων που συνδέονται. Στις ενώσεις δύο καλωδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι μηχανικοί σύνδεσμοι []. Στο Σχ. παρουσιάζεται μια αξονική τομή της σύνδεσης με τα ακόλουθα εξαρτήματα: αγωγός; μόνωση φάσης? 3 σωλήνας ελέγχου. 4 - μόνωση μούφας. 5 στρώμα ημιαγωγών. 6 ο σύνδεσμος? 7 ειδικό υλικό για γέμιση (μαστίχα). 8 στρώμα ημιαγωγών (μανδύας). I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρόβλημα της ανάλυσης και του ελέγχου των ηλεκτρικών πεδίων στα καλωδιακά τερματικά είναι ένα ανοιχτό πρόβλημα που περιλαμβάνει μια διεπιστημονική έρευνα. Το πρόβλημα της προσαρμογής ενός μονωμένου ηλεκτρικού αγωγού σε μια γειωμένη οθόνη είναι μια κοινή διαμόρφωση σε πολλές ηλεκτρομαγνητικές συσκευές, έτσι ώστε τα αποτελέσματα από την περίπτωσή μας να μπορούν να επεκταθούν και σε άλλες παρόμοιες περιοχές. Θεωρούμε ένα καλώδιο υψηλής τάσης (Εικ. ) όπου η σημασία των εξαρτημάτων είναι []: αγωγός; μόνωση φάσης? 3 ένα στρώμα για έλεγχο πεδίου. 4 μια ασπίδα ημιαγωγών. Εικ.. Μια αξονική τομή σε μούφα Εικ.. Ακροδέκτης καλωδίου Γενικά δεν υπάρχει τέλεια διηλεκτρική μόνωση ώστε να υπάρχει ρεύμα διαρροής. Οι ωμικές απώλειες προκαλούν τη διηλεκτρική θέρμανση. Ένα μοντέλο παράλληλου επιπέδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των ηλεκτρικών και θερμικών πεδίων. Ο σωλήνας για το χειριστήριο πεδίου καλύπτει τις ασπίδες ημιαγωγών κάθε ακροδέκτη καλωδίου του καλύμματος. Η μαστίχα έχει υψηλή διαπερατότητα και πραγματοποιεί ομοιόμορφη κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου. Με αυτόν τον τρόπο μειώνονται οι ηλεκτρικές καταπονήσεις στους ακροδέκτες του καλωδίου. Η μόνωση του καλύμματος έρχεται σε άμεση επαφή με τον εξωτερικό ημιαγωγό και το παχύ επιλέγεται για να αποτρέπει τις μερικές εκκενώσεις στη ζώνη διαχωρισμού []. Ο Ion T. Cârstea είναι μέλος της Σχολής Αυτοματισμών, Υπολογιστών και Ηλεκτρονικών. Craiova, str. Doljului 4, bl. C8c, sc., apt.7, judet Dolj, Ρουμανία, Η Daniela P. Cârstea συνεργάζεται με τον Industrial Group of Romanian Railways, Craiova, str. Brâncuşi nr. 5, Κραϊόβα, Ρουμανία, II. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να ληφθεί με προσέγγιση των εξισώσεων Maxwell. Αυτά τα 583

147Έλεγχος του ηλεκτρικού πεδίου στους συνδέσμους για καλώδια υψηλής τάσης Οι προσεγγίσεις λαμβάνουν διαφορετικές μορφές ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού του εξοπλισμού. Κατά τη μοντελοποίηση αυτών των φυσικών συστημάτων πρέπει να λάβουμε υπόψη τόσο τα τέλεια διηλεκτρικά όσο και τα ατελή (ή μολυσμένα) διηλεκτρικά. Το στρώμα ελέγχου του πεδίου έχει πεπερασμένη ειδική αντίσταση και ελέγχει την ηλεκτρική τάση στους ακροδέκτες. Η κατανομή στατικού πεδίου μπορεί να μοντελοποιηθεί με τις ακόλουθες εξισώσεις []: E = ; E = ρ J με: ρ - την ειδική αντίσταση του υλικού, E - την ηλεκτρική αντοχή και J την πυκνότητα ρεύματος. Ένα μοντέλο πεδίου D αναπτύχθηκε για μια ωμική κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου. Ένα ηλεκτρικό διανυσματικό δυναμικό P εισάγεται από τη σχέση: J = P Η εξίσωση Laplace s περιγράφει την κατανομή πεδίου (για ανισότροπα υλικά): P P ( ρ x ) + ( ρ y ) = () x x y y Μαθηματικό μοντέλο για το θερμικό πεδίο είναι η αγωγιμότητα εξίσωση: T T T ( k x ) + ( k y ) + q = γ c () x x y y t με: T (x, y, t) - θερμοκρασία στο σημείο με συντεταγμένες (x, y) τη στιγμή t; kx, ky θερμική αγωγιμότητα; γ-ειδική μάζα; γ ειδική θέρμανση. q πηγή θέρμανσης. Είναι προφανές ότι υπάρχει μια φυσική σύζευξη μεταξύ ηλεκτρικών και θερμικών πεδίων. Έτσι, η ειδική αντίσταση στην εξίσωση () είναι συνάρτηση του T, και η πηγή θέρμανσης q στο () εξαρτάται από το J. Αριθμητικά μοντέλα για τα δύο προβλήματα πεδίου μπορούν να ληφθούν με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για την κατανομή της θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκε μια επαναληπτική διαδικασία. Η ατελής μόνωση οδηγεί σε τοπική θέρμανση των συνδετήρων, έτσι ώστε ένα συνδεδεμένο μοντέλο να μπορεί να είναι μια καλή προσέγγιση για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου. Στην εργασία μας θεωρούμε ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες είναι σταθερές με τη θερμοκρασία. III. ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΕΔΙΟΥ Στην πραγματική μηχανική, ο σχεδιαστής μιας ηλεκτρομαγνητικής συσκευής ξεκινά από μια επιβεβλημένη απόδοση της συσκευής και προσπαθεί να φτάσει στην απόδοση με μια εντολή που μπορεί να είναι μια κατανεμημένη ή οριακή εντολή. Στον τομέα της ηλεκτρολογίας μπορούμε να έχουμε μια παραμετρική βελτιστοποίηση. Πρακτικά, υπάρχουν τρεις πιθανές παράμετροι [3]: Μια φυσική ιδιότητα ως ηλεκτρική ιδιότητα (για παράδειγμα η διαπερατότητα). Η διέγερση του συστήματος (τάση ή ηλεκτρικό ρεύμα). Μια γεωμετρική παράμετρος (διαμόρφωση, διαστάσεις προς οποιαδήποτε κατεύθυνση κ.λπ.) Στο παράδειγμα στόχου μας, υπάρχουν πολλές περιοχές που περιλαμβάνουν διαφορετικά υλικά όπως αγωγός, ημιαγωγός και διηλεκτρικά (μόνωση). Σε ένα πρόβλημα σύνθεσης αναζητούμε την υλική ιδιότητα τη διαπερατότητα που χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί σε ένα συγκεκριμένο μέρος της συσκευής. Με άλλα λόγια, η παράμετρος βελτιστοποίησης που αναζητούμε είναι η διαπερατότητα αυτών των τμημάτων, έτσι ώστε η συνάρτηση αντικειμένου να πηγαίνει στην ακραία τιμή. Οι τεχνικές κλίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη της βέλτιστης παραμέτρου. Η βελτιστοποίηση όσον αφορά τη γεωμετρία της συσκευής είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι σε σχέση με το υλικό ή τη διέγερση. IV. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εξετάσαμε το παράδειγμα από το σχήμα. Λόγω της συμμετρίας το πεδίο ανάλυσης περιορίζεται στο μισό του πεδίου. Στο Σχ. 3 η περιοχή πλέγματος απεικονίζεται με τον άξονα Oz ως άξονα συμμετρίας (η οριζόντια γραμμή). Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιήθηκε για το αριθμητικό Σχ. 3. Διχτυωτός τομέας για μια προσομοίωση μούφας. Το πρόγραμμα Quickfield [4] χρησιμοποιεί τα τριγωνικά στοιχεία. Εικ. 4. Ισορροπίες δυναμικών Οι γεωμετρικές ιδιότητες της συσκευής είναι: η ακτίνα του αγωγού είναι 5 [mm]. η εξωτερική ακτίνα της μόνωσης φάσης είναι [mm]. η εξωτερική ακτίνα του σωλήνα ελέγχου είναι 6 [mm]. η εξωτερική ακτίνα της μόνωσης του καλύμματος είναι 8 [mm]. η εξωτερική ακτίνα του δεύτερου στρώματος ημιαγωγού είναι 3 [mm] το πλάτος του εσωτερικού στρώματος ημιαγωγού είναι [mm]. η εξωτερική ακτίνα του βύσματος είναι [mm]. το μήκος του συνδετήρα είναι 5 [mm]. Οι φυσικές ηλεκτρικές ιδιότητες είναι: Η τάση του καλωδίου είναι U= [kv]; Η σχετική διαπερατότητα της πρώτης μονωτικής στρώσης είναι 3,5 Η σχετική διαπερατότητα της στρώσης μόνωσης είναι 4 Η σχετική διαπερατότητα της μαστίχας είναι 6 Η σχετική διαπερατότητα του σωλήνα ελέγχου είναι Στο Σχ. 4 η κατανομή των γραμμών πεδίου απεικονίζεται για τα δεδομένα που αναφέρονται παραπάνω. 584

148By Ion T. Cârste and Daniel P. Cârste In the simulation tests, we considered several mastic permeability values. Figure 5 illustrates the variation of the electric field at the outer radius of the phase isolation. If the permeability value of the control tube is It is obvious that we can find the optimal value of the material property (permeability in our case) so that the objective function reaches the minimum value. In our particular application, the objective function is a measure of the deviation of the electric field from the desired value. The inverse problem is solved iteratively. V. CONCLUSION Figure 5. Resistance E to space (ε r =6) In this paper, we presented some aspects of the analysis and control of the electric field in cable connectors. We have limited the discussion to material properties as an optimization parameter. The influence of material properties on field distribution in connectors was analyzed. Numerical models were obtained using the finite element method in Dspace [4]. Optimization with respect to geometry is an open problem that involves increased computational effort. At each iteration step, the application software must rebuild the mesh of the finite element program. In order to simplify the optimization process, the original problem is divided into subproblems, so the gradient technique involving geometry differentiation is divided into differentiation subproblems. REFERENCES Figure 6. Power E in relation to space (ε r =8) increased to 8, electrical energy distribution modified. In the joint zone, the intensity of the electric field decreases (see Fig. 6). [] *** Directory /. Tyco (Electronics). Accesorii pentru kabali de energie [] Cârstea, D., Cârstea, I. CAD in electrical engineering. Finite element method. Editor SITECH.. Craiova, Romania. [3] Hoole, S.R.H., Finite Elements, Electromagnetics and Design. 995, Elsevier, Amsterdam. [4] *** QuickField Program, Version 5.. Year 4. Website: Company: Tera Analysis 585

149This page is intentionally left blank. 586

150Μη μεταφερθείσα επιρροή γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης στον βαθμό ανισορροπίας στα συστήματα ισχύος Ljupčo D. Trpezanovski και Metodija B. Atanasovski Περίληψη Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζεται η μη μεταφερθείσα επιρροή της γραμμής μεταφοράς HV στον βαθμό ανισορροπίας στα συστήματα ισχύος. Το μοντέλο της μη μετατιθέμενης γραμμής HV με καλώδια γείωσης δίνεται σε πεδίο φάσης και ακολουθίας. Το προτεινόμενο μοντέλο χρησιμοποιείται για λύση ασύμμετρης ροής φορτίου με τη διαδικασία Newton- Raphson, ενσωματωμένη στο λογισμικό Neplan 5.. Λαμβάνονται με πραγματικές παραμέτρους και οι μη ισορροπημένες γραμμές μεταφοράς 4 και kv στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα της Δημοκρατίας της Μακεδονίας και αναλύεται η ασύμμετρη κατάσταση. Υπολογίζονται οι συντελεστές ανισορροπίας για τάσεις αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας για διαύλους 4 και kv. Οι τάσεις θετικής ακολουθίας από ασύμμετρη κατάσταση συγκρίνονται με τάσεις φάσης από συμμετρική κατάσταση για το ίδιο σύστημα ισχύος, όταν οι γραμμές μεταφοράς αντιμετωπίζονται ως ισορροπημένες. Λέξεις-κλειδιά Μη μεταφερόμενες γραμμές μεταφοράς HV, παράγοντες ανισορροπίας, ασύμμετρη ροή φορτίου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην παρούσα έρευνα όλα τα φορτία αντιμετωπίζονται ως ισορροπημένα στοιχεία. Οι συντελεστές ανισορροπίας μπορούν να υπολογιστούν από τις συνιστώσες της ακολουθίας (για τάσεις ή ρεύματα). Εάν αυτά τα εξαρτήματα δεν είναι σε διάθεση, λαμβάνονται με μετασχηματισμό των αντίστοιχων τιμών φάσης. Οι τιμές των τάσεων των κόμβων φάσης ή των ρευμάτων φάσης στοιχείων για τις καταστάσεις του τριφασικού συστήματος ισχύος, οι οποίες αποκλίνουν περισσότερο ή λιγότερο από τις συμμετρικές καταστάσεις, λαμβάνονται με υπολογισμούς ασύμμετρης ροής φορτίου (ALF). Η λύση του προβλήματος ALF εκτελέστηκε με επιτυχία χρησιμοποιώντας μεθόδους στον τομέα φάσης (διαδικασίες Newton-Raphson και Fast decoupled) [] και ταχύτερες μεθόδους στον τομέα ακολουθίας [], [3]. II. ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΗ ΜΕΤΑΘΕΣΙΜΕΝΟΥ HV ΣΕ ΤΟΜΕΑ ΦΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το τριφασικό σύστημα ισχύος αποτελείται από πολλά δίκτυα με διαφορετικές ονομαστικές τάσεις, συνδεδεμένα με διασυνδετικούς μετασχηματιστές δύο ή τριών περιελίξεων. Τα στοιχεία στο σύστημα ισχύος μπορεί να είναι ισορροπημένα (με ίσες παραμέτρους φάσης) ή μη ισορροπημένα (με διαφορετικές παραμέτρους φάσης). Πρακτικά, όλες οι γεννήτριες, οι μετασχηματιστές, οι μετατιθέμενες γραμμές και τα συμμετρικά φορτία μπορούν να αντιμετωπιστούν ως ισορροπημένα στοιχεία. Τα μη μεταφερόμενα και ασύμμετρα φορτία αντιμετωπίζονται ως μη ισορροπημένα στοιχεία. Εάν υπάρχει έστω και ένα μόνο μη ισορροπημένο στοιχείο, εμφανίζεται ασύμμετρη κατάσταση στο σύστημα ισχύος και υπάρχουν τάσεις και ρεύματα ακολουθίας στους διαύλους και τα στοιχεία του συστήματος ισχύος. Η παρουσία συστατικών της ακολουθίας προκαλεί αρνητική επίδραση στη σωστή λειτουργία των στοιχείων. Για παράδειγμα: τα ρεύματα αρνητικής ακολουθίας στους ακροδέκτες της γεννήτριας αυξάνουν τη θέρμανση στους ρότορες τους. δυσλειτουργίες των προστατευτικών ρελέ. Τα ρεύματα μηδενικής ακολουθίας αυξάνουν σημαντικά την επίδραση της επαγωγικής σύζευξης μεταξύ παράλληλων γραμμών μεταφοράς. υψηλότερες απώλειες συστήματος ισχύος. Ρεύματα μηδενικής ακολουθίας στα καλώδια γείωσης και μέσω της γείωσης, κ.λπ. Ο βαθμός απόκλισης από τη συμμετρική κατάσταση μπορεί να εκτιμηθεί με τους παράγοντες ανισορροπίας για τάσεις ή ρεύματα αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας. Όταν ένα σύστημα έχει δυσμενείς αστάθμητους παράγοντες, θα πρέπει να εφαρμόζεται η μεταφορά σε αγωγούς φάσης στους υποσταθμούς ή σε όλες τις γραμμές. Ο Ljupco D. Trpezanovski είναι με τη Σχολή Τεχνικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο St. Kliment Ohridski, I. L. Ribar bb, 7 Bitola, Macedonia, 587 Εάν η γραμμή μετάδοσης HV έχει σημαντικό μήκος και οι αγωγοί φάσης δεν έχουν μεταφερθεί, μπορεί να προκαλέσει σημαντική αρνητική και μηδενική στοιχεία της ακολουθίας. Συνήθως, λόγω του μεγάλου κόστους για τους πύργους και τους μονωτές μεταφοράς, η μεταφορά γραμμής αποφεύγεται. Πρακτικά, η μεταφορά συνιστάται εάν ικανοποιείται η ανισότητα (): U (kv) L (km) 5 (kv km), () n V όπου U n είναι η ονομαστική τάση σε kv και L V συνολικό μήκος γραμμής σε km [4]. Δείχνεται ότι η ανισότητα () ικανοποιείται για γραμμές και 4 kv, αλλά πρέπει να ελεγχθεί για γραμμές kv. Για τον ακριβή υπολογισμό των συντελεστών ανισορροπίας, θα πρέπει να καθοριστεί ένα σωστό μαθηματικό μοντέλο τριφασικής γραμμής μεταφοράς HV. Σε προβλήματα σταθερής κατάστασης, η τριφασική γραμμή μετάδοσης αντιπροσωπεύεται από κύκλωμα ομαδοποιημένου-π. Η σειριακή αντίδραση και η αυτεπαγωγή συγκεντρώνονται μεταξύ των άκρων της γραμμής και η χωρητικότητα διακλάδωσης της γραμμής μεταφοράς χωρίζεται σε δύο μισά και συγκεντρώνεται στα άκρα της γραμμής [], [] και [5]. Ας εξετάσουμε μια τριφασική μη ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς με ένα καλώδιο γείωσης. Α. Αντίσταση σειράς γραμμής μεταφοράς Οι σύνθετες αντιστάσεις σειράς των αγωγών φάσης και του καλωδίου γείωσης με επιρροή γείωσης, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους επαγωγικά, απεικονίζονται στο Σχήμα. Η ακόλουθη εξίσωση για τη διαφορά τάσης των άκρων γραμμής μπορεί να γραφτεί για τη φάση α: V a V = I ( R + jωl ) + I a a a ag g a an b jωl n ab + I n c jωl + j ω L I jωl I + V. () ac

151The influence of HV unbiased transmission line on the degree of unbalance in power systems. The fictitious voltage and grounding current, denoted as n, are given by the following equations: V n V g V a V b V c n I g I a I b I c I n = I n ( Rn + jωln ) I a jωlna I b jωlnb I jωl I jωl, (3) c n a nc b g I = I + I + I + I. (4) Substituting Eqs. (3) and (4) in equation () gives: c V g V a V b V c Fig. Series mutually inductive impedances of lines. ng g grounding and grounding wires. All elements of this table can be calculated from the table equation: Z Z Z - Zabc = Z A ZBZDZC = Z Z Z Z Z Z aa ab ac ba bb bc ca cb cc. () Usually, instead of the impedance matrix, the order of entry z is applied to the linear model - the matrix Y = Z. abc abc B. Power line shunt capacitance Mutual capacitive shunt connections for three-phase conductors, grounding wire and grounding are shown in the figure. g a b ΔV a = Z I + Z I + Z I + Z I aa n a ab n b ac n c ag n g ( 5) c By writing down similar equations for the other phases and the grounding wire, the following equation is obtained in the table: ΔV ΔV ΔV ΔV a b c g Z = Z Z aa -n ba-n ca-n ga-n Z Z Z Z ab-n bb-n cb-n gb-n Z Z Z Z ac-n bc-n cc-n gc-n Z Z Z Z ag-n bg-n cg -n gg-n I I I I a b c g. (6) Series impedance model with only three-phase conductors is more practical and can be made in several steps. First, the matrix equation. (6) should be presented in the form of a partitioned matrix as follows: ΔV ΔV abc g Z = Z A C Z Z B D I I abc g The multiplication of distributed matrices is obtained by the equations: abc A abc B g (7) Δ V = Z I + Z I, (8) Δ V = Z I + Z I. (9) g C abc Assuming that the ground wire is at zero potential ( ΔV g = ), from Eq. (8) and (9) the final model of a three-phase transmission line conductor can be obtained in matrix form: abc abc D abc g Δ V = Z I. () The impedance matrix Z abc includes phase self-resistances and mutual inductive couplings under the influence of the potentials of the line phase conductors and ground wires are related to the conductor load by the matrix equation: where Fig. Capacitances of interconnecting lines, p aa, V V V V a b c g p, p, = p, p, p, ab ,, aa ba ca ga p p p p, ab, bb, cb, gb p p p p, ac, bc, cc, gc p p p p, ag, bg , cg, gg Q Q Q Q a b c g, (), p gg are potential coefficients. In the same way as it was done for series impedances, a line model with a single three-phase conductor can be established for shunt capacitances. Considering the zero potential of the ground wires and Eq. (), the potentials of the phase conductors of the line with the influences of the earth and the earth wire included in the form of the matrix are: V = P Q. (3) abc The capacitance matrix can be easily calculated as: abc Caa Cab Cac - C abc = Pabc = Cba Cbb Cbc . (4) C ca Ccb Ccc Typically, the shunt input matrices of Eq. (5) corresponding to the ends of the lines are applied instead of the capacity table. n abc 588

152Ljupčo D. Trpezanovski και Metodija B. Atanasovski Y s abc = jωcabc. (5) Τέλος, το μοντέλο εισόδου σε σειρά και διακλάδωσης ομαδοποιημένο-π μιας μη μεταφερθείσας γραμμής μετάδοσης (που συνδέεται μεταξύ των λεωφορείων k και j) που αντιπροσωπεύεται με εισαγωγές σύνθετων τριφασικών φάσεων φαίνεται στο Σχ. 3. k I abc k V abc Ακολουθώντας τους κανόνες που αναπτύχθηκε για το σχηματισμό του πίνακα εισαγωγής χρησιμοποιώντας την σύνθετη έννοια [], τα εγχυόμενα ρεύματα του διαύλου k και του διαύλου j μπορούν να συσχετιστούν με τις κομβικές τάσεις με την εξίσωση: I I k abc j abc (6,) z Yabc + Y = z Yabc s abc Y Y z abc z abc s abc + Y (6,6) V V k abc j abc (6,) (6) Η παραπάνω επεξηγημένη διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχηματισμό του ομαδοποιημένου π μοντέλου μιας μη μεταφερόμενης γραμμής μεταφοράς με περισσότερες από μία καλώδιο γείωσης. Οι εισαγωγές σειρών και διακλαδώσεων μπορούν να μετατραπούν στον τομέα ακολουθίας χρησιμοποιώντας τον πίνακα μετασχηματισμού T s και τις εξισώσεις: Y Y z dio s dio = T Y T (7) s s z abc s abc s = T Y T. (8) Τώρα, το ομαδοποιημένο-π μοντέλο ενός μη μεταφερόμενου Η γραμμή μετάδοσης στον τομέα ακολουθίας μπορεί να παρουσιαστεί όπως στο Σχ. 4. Τέλος, το μαθηματικό μοντέλο στον τομέα ακολουθίας μπορεί να παρουσιαστεί σε μορφή πίνακα με την Εξ. (9), παρόμοιο με αυτό που παρουσιάστηκε για τον τομέα φάσης. I I k dio j dio k (6,) s Y abc z Ydio + Y = z Ydio s dio z Y abc Y Y z dio z dio + Y s (6,6) s Y abc V V k dio j dio (6 ,) (9) Οι επαγωγικές και χωρητικές αμοιβαίες ζεύξεις μεταξύ κυκλωμάτων θετικής, αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας εκφράζονται με μη μηδενικά στοιχεία εκτός διαγώνιου στους πίνακες Y και Y. μοντέλο μιας μη μεταφερθείσας γραμμής μεταφοράς στον τομέα φάσης. k I dio k V dio k s Y dio z Y dio s Y dio j j I dio j V dio Εικ. 4. Μοντέλο συμπαγές-π μιας μη μετατιθέμενης γραμμής μετάδοσης στην περιοχή ακολουθίας. s dio Αντί για αμοιβαία παραδοχές, οι ζεύξεις μπορούν να εκφραστούν με πηγές ρεύματος αντιστάθμισης. Έτσι, το μοντέλο μη ισορροπημένης γραμμής μπορεί να παρουσιαστεί με τρία αποσυνδεδεμένα κυκλώματα ακολουθίας. Οι αμοιβαίοι σύνδεσμοι αντικαθίστανται από αντίστοιχες ελεγχόμενες πηγές ρεύματος. Λεπτομερέστερη εξήγηση για τη μοντελοποίηση γραμμών μεταφοράς που δεν έχουν μεταφερθεί στο εσωτερικό δίκαιο στον τομέα φάσης και ακολουθίας δίνεται στα [, ], [5]. III. ΛΥΣΗ ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΡΟΗΣ Οι τάσεις φάσης για όλους τους διαύλους ολόκληρου του συστήματος ισχύος μπορούν να ληφθούν εκτελώντας τη λύση ALF. Επειδή οι τάσεις ακολουθίας ενδιαφέρουν τον ορισμό μη ισορροπημένων παραγόντων, είναι σκόπιμο να χρησιμοποιηθούν οι μέθοδοι ALF που καθιερώνονται στον τομέα ακολουθίας. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία λαμβάνονται με τη μέθοδο Newton-Raphson στον τομέα ακολουθίας [], που ενσωματώνεται στο λογισμικό Neplan 5. [6]. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο σύστημα τριών εξισώσεων μήτρας που η καθεμία σχετίζεται με το αποσυνδεδεμένο θετικό, αρνητικό και μηδενικό ισοδύναμο κύκλωμα του συστήματος ισχύος (Εξισώσεις (), () και () αντίστοιχα). H M d d N d Δθ d L d Δ Vd Vd i i i ΔP = ΔQ d d. () Y V = I, () Y V = I. () o o Στην πραγματικότητα, ο πίνακας Εξ. () έχει την ίδια μορφή με τις εξισώσεις που αντιπροσωπεύουν το συμμετρικό μοντέλο ροής φορτίου Newton-Raphson. Τα άλλα δύο συμπληρωματικά συστήματα που δίνονται από την Εξ. Τα () και () είναι συστήματα γραμμικών εξισώσεων. IV. ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΑΝΙΣΟΡΥΓΟΠΟΙΗΣΗΣ Η επίδραση των μη μεταφερόμενων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης στον βαθμό ανισορροπίας μελετήθηκε σε ολόκληρο το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Δημοκρατίας της Μακεδονίας. Στην ανάλυση που πραγματοποιήθηκε περιλαμβάνονται 5 διαύλους στάθμης 4, και kv τάσης, 53 γραμμές, 5 μετασχηματιστές διασύνδεσης και 9 ισοδύναμες γεννήτριες με μετασχηματιστές ανόδου. Και οι γραμμές 4 και kv δεν έχουν μεταφερθεί και οι ρυθμίσεις πραγματικών φάσεων που φαίνονται στο Σχ. 5 λαμβάνονται υπόψη. 6,94,4 3,4 3,5 Εικ. 5. Αγωγοί φάσης και διάταξη σύρματος γείωσης για μη μεταφερθείσα α) γραμμή 4 kv και β) γραμμή kv ( * που παράγεται από την EMO-Ohrid). o 4, 4,7 α) β) 4,,9,9 5,9 589

153Επιρροή της γραμμής μεταφοράς μη μεταφερθείσας HV στον βαθμό ανισορροπίας στα συστήματα ισχύος Το αναφερόμενο σύστημα ισχύος φαίνεται στο Σχ. 6, μόνο με διαύλους στους οποίους υπολογίζονται οι συντελεστές ανισορροπίας. Τα υπόλοιπα τμήματα του Μακεδονικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και οι συνδέσεις με τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας της γειτονιάς παρουσιάζονται με μπλοκ. VRUTOK PSMK PSMK BT Μελετήθηκαν δύο περιπτώσεις με όλα τα ισορροπημένα φορτία. Στην πρώτη περίπτωση, όλες οι γραμμές μεταφοράς αντιμετωπίζονται ως ισορροπημένες. Η λύση για τις τάσεις σε κάθε κόμβο των διαύλων συστήματος δείχνει ότι υπάρχουν μόνο τάσεις θετικής ακολουθίας και είναι ίσες με τις τάσεις φάσης. Για αυτήν την περίπτωση η τάση στη φάση (κόμβος) j a για το δίαυλο j συμβολίζεται ως V abal και είναι ίση με την τάση θετικής ακολουθίας V d. Αυτή η σημείωση είναι απαραίτητη για τον ορισμό ενός μη ισορροπημένου παράγοντα για τάσεις θετικής ακολουθίας, όταν η ασύμμετρη κατάσταση του συστήματος συγκρίνεται με τη συμμετρική κατάσταση για το ίδιο σύστημα. Στην περίπτωση αυτή η συνολική απώλεια ενεργού ισχύος είναι ΔP bal = 3, MW. Στη δεύτερη περίπτωση μελέτης λαμβάνονται και οι γραμμές 4 και kv με τις πραγματικές τους παραμέτρους. Η παρουσία έξι γραμμών 4 kv συνολικού μήκους 376,7 km, μίας kv γραμμής με 65, km και μίας kv γραμμής μήκους 4 km (χτισμένη σε πύργους 4 kv), προκαλούν ασύμμετρη κατάσταση και εμφάνιση ακολουθιών τάσεων και ρευμάτων. Επειδή τα στοιχεία της ακολουθίας έχουν ανεπιθύμητες επιδράσεις στα στοιχεία του συστήματος ισχύος, είναι επιθυμητό να μετρηθεί ο βαθμός ανισορροπίας του συστήματος. Για το σκοπό αυτό εισάγονται οι παράγοντες ανισορροπίας (συνήθως σε %). Οι μη ισορροπημένοι παράγοντες για τάσεις θετικής, αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας δίνονται με την Εξ. (3) αντίστοιχα. Vd Vi Vo F d = ; F i = ; F o =. (3) V V V abal PSSR SRGR DUB 4 kv PSMK kv kv σε πύργους 4 kv d PSMK SK SK4 PSMK PSGR Εάν F d = % και F i = F o = % το σύστημα ισχύος είναι σε συμμετρική κατάσταση. Οι ασύμμετρες καταστάσεις συστημάτων ισχύος, που αποκλίνουν περισσότερο ή λιγότερο από τη συμμετρική κατάσταση, έχουν μεγαλύτερους ή μικρότερους μη ισορροπημένους παράγοντες F i και F o. Τα αποτελέσματα από τις περιπτώσεις της μελέτης φαίνονται στον Πίνακα I. Αν και οι μη ισορροπημένοι παράγοντες για τάσεις αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας είναι μικροί, η συνολική απώλεια ενεργού ισχύος στη δεύτερη περίπτωση είναι P = 37,8 MW. Δ unbal d STIP SOLUN PSMK Εικ. 6. Μη μεταφερθείσες γραμμές και οι συνδέσεις τους σε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Δημοκρατίας της Μακεδονίας - PSMK. λεωφορείο BT 4 DUB 4 SK4 4 SK 4 STIP SK VRU ΠΙΝΑΚΑΣ I ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΜΗ ΙΣΟΡΡΟΠΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ V abal (kv) V L (kv) V (kv) V L L3 (kv) F d (%) F i (%) F o (% ) V. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η παρουσία μη μεταφερόμενων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης προκαλεί ασύμμετρες καταστάσεις στο σύστημα ισχύος. Αυτές οι καταστάσεις έχουν ανεπιθύμητες επιπτώσεις στα στοιχεία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και υπάρχει ανάγκη για ποσοτικοποίηση τους. Για την αξιολόγηση του βαθμού ανισορροπίας, εισάγονται οι συντελεστές μη ισορροπημένης τάσης. Σε αυτό το έγγραφο, παρουσιάζεται η διαδικασία για τη μοντελοποίηση γραμμής που δεν έχει μεταφερθεί σε επίπεδο φάσης και ακολουθίας. Το μοντέλο γραμμής αποσυνδεδεμένης ακολουθίας εφαρμόζεται στη μέθοδο Newton-Raphson για τον υπολογισμό της ροής ασύμμετρου φορτίου που ενσωματώνεται στο λογισμικό Neplan 5.. Μελετώνται δύο πραγματικές κρατικές περιπτώσεις του μακεδονικού συστήματος εξουσίας. Τα αποτελέσματα των μελετών δείχνουν ότι στην περίπτωση των μη μεταφερόμενων γραμμών, αν και οι παράγοντες ανισορροπίας είναι μικροί, η συνολική αύξηση της απώλειας ενεργού ισχύος για 6 MW, έναντι της περίπτωσης που οι γραμμές αντιμετωπίζονται ως μεταφερόμενες. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] J. Arrillaga, C.P. Arnold, B.J. Harker, Computer Modeling of Electrical Power Systems, John Wiley & Sons Ltd, 983. [] X.-P. Zhang, Fast Three Phase Load Flow Methods, IEEE Trans. on PS, Vol., No. 3, pp , August 996. [3] V. Strezoski, Lj. Trpezanovski, Τριφασική ασύμμετρη ροή φορτίου, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Τόμος, Αρ. 7, σελ. 5-5, Οκτώβριος. [4] N. Rajakovič, Analiza elektroenergetskih sistema I, Elektrotehnički fakultet, Akademska misao, Beograd,. [5] Μ.Σ. Chen, W.E. Dillon, Power System Modeling, Proc. ΙΕΕΕ, Τομ. 6, Νο. 7, σελ. 9-95, Ιούλιος 974. [6] Neplan 5. software, BCP Switzerland (Εκπαιδευτική έκδοση για τη Σχολή Τεχνικών Επιστημών - Μπίτολα). 59

154Calculation of GIS kv insulating sleeve using the hybrid BEM-FEM method Hamid Zildžo and Halid Matoruga Abstract This paper elaborates the process of optimizing the geometry of the kv SF6 gas insulated sleeve in relation to dielectric works. The Dirichlet-Neumann iterative sequential procedure is implemented within the modern hybrid BEM/FEM method. Keywords Boundary element method, finite element method, successive subrelaxation method, Galerkin process. I. INTRODUCTION The Finite Element Method (FEM) is suitable for the calculation of surfaces with multiple insulating media, but with finite boundaries. The Boundary Element Method (BEM) is suitable for calculating areas with an insulating medium, but with finite or infinite boundaries. In this work, the BEM-FEM hybrid coupled boundary and finite element method is applied, which contains the best characteristics of both the FEM and BEM methods. II. MATHEMATICAL MODEL Let's work out the basic principles of the Galerkins residual weight process in the FEM method, the direct BEM method and the iterative sequential Dirichle-Neumann hybrid BEM-FEM method. Laplace's partial differential equation is solved using FEM, and the integral electrostatic field equation is solved using BEM. The potentials at the BEM-FEM boundary are calculated iteratively using the successive underrelaxation method. III. FINITE ELEMENT METHOD [ H ] FEM { ϕ} FEM = { Q} FEM () where: [ H] FEM - Two-dimensional matrix of coefficients which is a general proposition given as: h FEM ij { Φ} FEM n e e e e N N = j N N i i j = ε + ds e e x x y y SΔ (i=,,..,n f ; j=,,...,n f ) (3) - Column vector matrix of unknown potentials at the junctions of the finite element of rank n f x. { Q} FEM - Column vector matrix of free propositions containing Neumann boundary conditions, whose general term is given by: n e n FEM f ϕ = = FEM e j q = N N ds (4) i i j e j e n S Δ e N i -Configuration functions allow the approximation of the unknown potential function as follows: ϕ j n FEM ϕ = n f j= - Neumann boundary condition. e N ϕ (5) e j j In the finite element method, the field of the observed physical system in the process of the so-called bisections of the continuum is divided into a finite number of segments of a certain geometry, which are called finite elements. . The partial differential equation of the Laplace electrostatic field is given by: ϕ ϕ ε + = x x y ε y () After applying the Galerkins method for the residual weight, we can write down the solution of the electric potential distribution in the form of a linear system of algebraic equations: 7 Sarajevo, Bosnia and Herzegovina Halid Matoruga is from the Electrical Engineering School Zmaja od Bosne bb 7 Sarajevo, Bosnia and Herzegovina .hmatorunogagovina@, matorogahalid@ 59 IV. DIRECT BOUNDARY ELEMENT METHOD The mathematical model of the direct boundary element method is based on the symmetric Green's identity and continuity equations that introduce boundary conditions at the boundaries between areas with different environments. Let us consider two special cases of three-dimensional electrostatic field calculations, with the case where the observation point Q is inside the computational domain V and the other case when the point Q is on the domain boundary. The general formula for observing the potential inside, on the boundary and outside the computational domain is given by the following formulation: ϕ(p) C(Q) ϕ (Q) + T(P,Q) ϕ(p) ds = G (P ,Q) ds P (6) P n S S P

155Calculation of GIS kv Insulating Bushig using the hybrid BEM-FEM method where: G(P,Q) - Green's function, T(P,Q) - Derivation of Green's function in the vertical field on the boundary surface, ϕ ϕ and - Calculated potential functions and normal component of the field n on the boundary surface, C(P, Q) - The constant depending on the point of observation is given: additional continuity equations for ϕ and ϕ/n p, which refer to those boundaries, are written by different means. V. HYBRID BEM-FEM METHOD Let's look at an example of a calculation with the relevant BEM-FEM field, in fig. within the domain V (Poisson type) in the smooth boundary in D and domain 3 D γ3 D C(Q) = in the sinuous boundary in the 3 D field 4π γ D in the sinuous boundary in the 3 D field 4π outside the field V (7) After applying the collocation procedure point on the residual weight method in Eq. 6 we will get a solution in the form of a matrix system: BEM BEM ϕ (8) BEM BEM [ H] {} ϕ = [ G] n where: [ H ] BEM Two-dimensional matrix of coefficients whose general statement is given by the expression: [ G ] BEM h BEM i, j n e = e= S N T e j e i,j ds + δ P i,j C (i=,,..,n e j=,,...,n e ) (9) Two-dimensional matrix coefficient that the general proposition is given by: BEM g BEM i,j n e = e= S e e N G j i,j ds (i=,,..,n e j=,,...,n e ) () ϕ {} ϕ BEM i n - Vector series of variables. In the boundary of the field s with the medium, at each junction of the boundary element, the value of the variable φ or ϕ/ n p is known. Therefore, in equation 8, the calculation is carried out in the boundary field of the variable ϕ or ϕ/ n p which is not set as a boundary condition. At the boundary between two regions with different environments, both ϕ and ϕ/ n p are unknown. In this case, for each field boundary the system of equations. 6 is written taking into account the Dirichlet and Neumann boundary conditions and at the boundaries between the two domains s and Figs. Example calculation of relative BEM-FEM field The FEM field is bisected by -D FEM finite elements whose joints are marked with white joints, and the BEM domain by -D edge elements whose joints are marked with black joints. The BEM-FEM boundary on the FEM side is connected to -D finite elements, and on the BEM side to -D boundary elements. There are direct and iterative algorithms for connecting boundary and finite element methods. With a direct approach, the formation of a linear system of algebraic equations is carried out with the help of exponent () in the FEM domain and exponent (8) in the BEM domain, and the continuity equations are added to the BEM-FEM boundary. This procedure has a major disadvantage because it is necessary to solve large complete systems of equations. In order to save memory, it is recommended to use some iterative procedures, the most famous of which are: - Robbins relaxation algorithm for connection. - Neumann Neumann connection algorithm. - Advanced Dirichlet Neumann algorithm. - Advanced sequential Dirichlet Neumann algorithm. With BEM-FEM iterative procedures, the separate solution of two separate systems of linear matrix equations is performed separately for the BEM and separately for the FEM field, and the results of the potential distribution or flow at the BEM-FEM boundary are iteratively calculated using successive under-relaxation methods. 59

156Hamid Zildzo and Halid Matoruga VI. ADVANCED BEM-FEM DIRICHLET NEUMANN SEQUENTIAL DIRICHLET NEUMANN SEQUENTIAL ALGORITHM This paper will use the advanced [4]sequential Dirichlet-Neumann BEM-FEM algorithm consisting of the following steps. Division of the computational domain into BEM and FEM domains Determination of initial potential values ​​at the BEM-FEM boundary Starting an iterative cycle that lasts until the convergence conditions are met: DO n=,, for convergence Solving the domain in the BEM domain: In the boundary of the BEM domain along the BEM- FEM boundary, Dirichlet or Neumann boundary conditions are set. Accordingly, in the matrix system (8) we can write the BEM-BEM contributions from the pure BEM boundary and the BEM-FEM contributions from the BEM-FEM boundary in the matrix [H] BEM and [G] BEM. As a result we will get Neumann boundary members that are relevant in the vertical direction on the FEM side of the BEM-FEM boundary. Solving the fields in the FEM domain: Solving the fields in the FEM domain is done in this step. In the boundary of the FEM field, next to the BEM-FEM boundary itself, the Dirichlet or Neumann boundary values ​​are given. Therefore, in the matrix system () in the FEM matrix [H] we can write the FEM-FEM contributions of the pure FEM boundary and the FEM-BEM contributions of the FEM-BEM boundary: [ ] { ϕ} n {} ϕ FEM FEM { Q } n+ { } FEM BEM Q n+ FEM FEM FEM + H = (3) FEM BEM n+ where the elements of the matrix { Q } FEM n + are calculated using the formulation (4) and () . As a result we will get the FEM BEM dynamics { ϕ} at the FEM-BEM boundary. n Correction of the calculated potentials at the BEM-FEM boundary: In this step, the correction of the calculated potentials calculated at the FEM-BEM boundary in the previous step is performed. The correction is carried out by applying the successive under-relaxation method: SF 6 BEM FEM FEM FEM FEM BEM { } = ( θ){} ϕ + θ {} ϕ (4) n+ n ϕ n+ The under-relaxation factor θ is given in the interval from to . Check the convergence of the iterative cycle and stop when adequate accuracy is achieved. SF 6 Image. Example of calculation of kv insulating ring at SF6 station GIS BEM BEM ϕ BEM BEM BEM [ ] {} ϕ n+ BEM [ ] n n+ H = G BEM FEM () BEM FEM {} ϕ n+ ϕ n n+ In the system () it is necessary to consider the Dirichlet and Neumann boundary terms, including possible values ​​at the BEM-FEM boundary from the previous iteration step. By solving the system (), we will get the values ​​of the normal component of the BEM FEM ϕ field at the BEM-FEM n n+ boundary. In this step, the continuity equation is solved at the BEM-FEM boundary: ε FEM ϕ n ϕ n FEM BEM n+ FEM BEM n+ = ε ε = ε BEM BEM FEM ϕ n BEM FEM n+ ϕ n BEM FEM n+ () VII. CALCULATION EXAMPLE The figure shows an example of electrostatic field calculation in a kv SF 6 GIS insulating ring. The ring is usually located on top of the SF 6 gas insulating station (GIS) and through it the kv air phase line is fed into the SF 6 GIS header. It is very important to properly optimize the geometry of this ring taking into account the dielectric stresses. The copper bus passes through the porcelain insulator and enters the GIS bus. The interior of the porcelain insulator and GIS bus is filled with SF 6 gas. The dielectric permittivity of porcelain is ε r = 5, and that of SF 6 gas is ε r =. The support insulator Araldite supports the busbar and has ε r =4. The permeability of the outside air is ε r =. The phase line is at % potential up and the GIS bus cover is grounded at % potential. Various insulating media SF 6 gas, araldite and porcelain with finite boundaries bisect with D finite elements. Ambient air whose boundaries extend to infinity represents the BEM region and is divided by boundary elements D. 593

157Calculation of GIS kv insulating sleeve using the hybrid BEM-FEM method VIII. CONCLUSION FEM FEM In this paper, a modern approach to the optimization of the geometry of the conductor ring with regard to dielectric stresses is presented. Infinite air boundaries are taken into account by defining a BEM-FEM boundary on the very outer surface of the ring. A series of calculations were made and the final version of the ring was shown. In the final version, an auxiliary screen was constructed that serves for the optimal stretching of the force field over the surface of the porcelain insulator in order to meet the maximum permissible values ​​of the normal and tangential components of the electric field in all insulating media. , separately. REFERENCES Figure 3. Generated mesh of finite and boundary elements Figure 4 shows the results of the calculation of the distribution of dielectric stresses in the observed ring. The results were obtained using the computer program BEM-FEM [] D. S. Burnett, FINITE ELEMENT ANALYSIS FROM CONCEPTS TO APPLICATIONS, Addison-Wesley Publishing Company, Massachutesetts, 987. [] Haznadar Z., Štih El. [3] Zienkiewicz O. C.: The Finite Element Method, New York, McGraw-Hill, 977. [4] Elleithy, W. M., Al-Gahtani, H. J. and El-Gebeily, M., Iterative Coupling of BE and FE Methods in Elastostatics, Engineering Analysis with boundary elements, Vol. 5, no. 8, August, p. Figure 4. Calculation results of the maximum tangential and normal components of the ring electric field 594

158Evaluation of overhead transmission line parameters under the influence of lightning strikes Marian G. Todorov and Margret P. Vasilev Abstract Overvoltages in power systems cannot be avoided and must be limited. It is necessary to know the parameters of transmission lines with positive, negative and zero sequence (R, L and C). They are used when building a transmission line model. The aim of this work is to estimate the parameters of the lines in the case of a direct lightning strike over the conductor of an overhead transmission line using a different number of shifted 2D Haar waves. Keywords estimation, overhead transmission line parameters, shifted 2D Haar waves. I. INTRODUCTION Overvoltages in power systems cannot be avoided and must be limited. There are three main groups of transient surges, switching surges and lightning surges. Lightning strikes originate from atmospheric discharges. A direct lightning strike causes extremely high surges and therefore serious damage. It is necessary to know the parameters of positive and zero sequence transmission lines (R, L and C). They are used when building a transmission line model. Detailed models of line elements are known, but there is no single algorithm for a common description of the power system model. The algorithm based on implicit integration is the most universal and easily implemented. Software products have also been developed for the visual software package for dynamic modeling of SIMULINK, SCILAB, etc. The beginning of the investigation of system characteristics is done in dialog mode. As a result, we get a model of the research system. The model parameters do not match the catalog data. This requires previous calculations. This is a minor drawback. In this study, the parameters of transmission lines under the influence of lightning strikes were estimated using the Haar wavelet technique. II. MATHEMATICAL EXPRESSIONS FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF THE SUBSTITUTE FORM OF THE AIR POWER LINE IN SYMMETRICAL COORDINATES. [-4]. Calculation of positive series resistance R where: ρ k (ω) R = ρ k ( ω ). ξ (i). h, Ω/km () conductor resistance for S, Ω.mm /km; Factor S, taking into account the change in resistance from the skin effect. k (ω) =+,675.r. k (ω) =,7+,4.( r. ω. μ, if r. ρ μ is the permeability of the conductor, H/m; ω- radial frequency, rad; r - radius of the conductor, mm; ω. μ 4 ; r o. m. -4), if r. r r o m >4; ξ ( θ ) - coefficient, taking into account resistance to temperature changes. Mariana G. Todorova is from the Faculty of Computing and Automation, Technical University, Studentska str., 9 Varna, Bulgaria, Margreta P. Vasileva is from the Faculty of Electrical Engineering, Technical University, Studentska str., 9 Varna, Bulgaria, ξ ( θ ) =+α.(θ o - o ); 595

159Estimation of air current line parameters under the influence of lightning strike α - temperature coefficient of the conductor, / o S; θ o - working temperature, o S; n - factor that takes into account the difference between the actual length of the air supply line and the length of the duct. 5. Calculation of positive sequence capacity C 6.4. C, F / km D lg CP r (5) 8 z η = + ; 3 l m z - guide suspension, m; l m distance between two poles, m; S is the effective section of the line conductor, mm; 6. Calculation of zero sequence capacity C S srp =.h srp ; C,83. With CP lg 3 r. D 8 CP, F/km (6). Calculation of the zero sequence resistance R R = R +3.R Z () R Z real earthing resistance?. -4 m = 4 p. m ω R Z =, Ω / km; 8 ω = π.f, H / km; f frequency, Hz. 3. Calculation of positive sequence inductance L μ D sr r L ln, H / km r 4 μ = + (3) π μ r - relative permeability of the conductor. D σρ = 3 D D. D AB. BC AC,m mean geometric distance between two line conductors. 4. Calculation of the zero-sequence inductance L μ D r L 3 μ = 3 ln, H / km + (4) π 3​​​​​​​​​​​​​​​​ Dcp 4 D 3 = 64 f. γ Z, m h = ; KP 3 ha. hb. hc m - average height of the pipeline. Zero sequence inductance and positive and zero sequence resistance are frequency dependent. III. PARAMETERS OF THUNDER CURRENT A high-frequency process occurs under the action of lightning on an overhead transmission line. The frequency depends on the shape and duration of the lightning current. The table shows the distribution of the peak value of the lightning current [4]. Table Distribution of the peak value of the lightning current P I, % I m, ka max The lightning current has an aperiodic form. The forward duration is about a few microseconds and the boost duration is hundreds of microseconds. Different possibilities for instantaneous frontal duration determine processes of different frequency in overhead power lines and different parameters for R, R and L. The aim of this paper is to estimate the parameters of the lines in the case of a direct lightning strike over an overhead conductor. c Z - specific soil conductivity, / Ω. M. 596

160Mariana G. Todorova and Margreta P. Vasileva Three-phase measurement Three-phase measurement Three-phase measurement subsystem Three-phase measurement subsystem Subsystem 3 Three-phase measurement Three-phase measurement subsystem 4 Fig. The kv power network model The Kv power network model was compiled to identify the parameters of the overhead transmission line. The picture shows the model. It combines the description of the following elements: power system (S); energy transformer - kv (T); overhead transmission line (W,W ) and cable energy cable (W 3 ). power transformer -,4 kv (T); Surge protection devices (SP) metal-oxide surge arresters. voltage measuring transformers (TV). Standard blocks from the Matlab Simulink library [5] are used to model lines, power transformers and surge arresters. The parameters of the lightning current are: amplitude 8 ka and shape / μs. Batch processes are described by a system of partial differential equations (PDE) (7). U( x, t) I( x, t) = RI.(,) xt + L. x t I( x, t) U( x, t) = C. x t Research is underway using the ode3t solver method [5 ]. This method is an application of the trapezoidal rule using a "free" interpolator. The current and voltage required to determine the parameters of the overhead transmission line are measured at ten points. These points are evenly distributed along the entire length of the overhead transmission line. (7) IV. PARAMETER IDENTIFICATION An orthogonal set of Haar functions is a group of square m / waves with magnitude ± in some intervals and zero elsewhere []. Since the space on which the Haar functions are defined is not suitable for solving the parameter identification problem, a suitable transformation is required. Shifted Haar filters are defined [6] as where: H * j k (t) = H(t).(.t ), (8) j * m j ; mk? k j j = + < ; H * (t) -scaling function, satisfied in the entire observed interval [, T]. The function f (x,t), which is a square integral over the domains t [,T], x [,X], can be approximately expanded into a series of two-dimensional shifted Haar waves [, 6]. 597

161Estimation of air supply line parameters under the influence of lightning strikes j R = 3568 Rˆ L Lˆ Table of model parameters, obtained parameter values ​​and relative parameter errors =.7. 3 C Cˆ = R = 5. Rˆ L Lˆ. =. 3 Cˆ. = E % The implementation of the Haar filter reduces the parameter identification problem to a computationally convenient form. The PDE of the system (Equation (7)) is converted into a set of algebraic equations and the parameter estimation algorithm can be performed in discrete form. The identification process includes the following fundamental steps: (i) extension of PDE functions to shifted 2D Haar waves; (ii) rewriting the PDE in matrix form using the Haar valence properties and after some well-known manipulations []. (iii) solving the resulting matrix equation for the vector of unknown parameters using the least squares technique. In this section, an m file is created in Matlab based on the proposed algorithm. Parameter estimation values ​​were calculated for different number m of shifted 2D Haar waves. The model parameters R, L, C, R, L, C, the obtained values ​​of the parameters R ˆ, Lˆ ˆ ˆ, Cˆ ˆ, R, L, C and the associated errors of the parameters E are given in the table. LITERATURE [] Chen C. F., C. H. Hsiao, Haar wavelet method for solving lumped and distributed parameter systems, IEEE Proceedings Control Theory and Applications, vol. 44, no., p. 997. [] Gerasimov K. K., Y. L. Kamenov, Modeling in electric power systems, Avangard Prima, Sofia, 7. [3] Genov L. G., Technique for increasing voltage in electric power systems, Tehnika, Sofia, 979. [ 4] Hart W. C., Malone E. W., Lightning and Lightning Protection, Interference Control Technologies, Gainesville, p. 3-9, 988. [5] MATPOWER, Power Systems Engineering Research Center, School of Electrical Engineering, Cornell University, Ithaca, / matpower/matpower.html, 997. [6] Todorova M., Investigation of possibilities and applications of two-dimensional orthogonal functions for dynamic identification of distributed system parameters, Doctoral Dissertation, Varna (in Bulgarian), 3. V. CONCLUSION The estimation of overhead transmission line parameters enables more precise modeling of transmission line processes. Line parameters in the case of direct lightning over overhead line conductors were estimated using different numbers of shifted 2D Haar waves. The corresponding m file was created in Matlab based on the proposed parameter identification algorithm and the numerical results were given. Parameter estimates are obtained with high accuracy when a large number of Haar filters are applied. Compared to classical methods, the Haar wavelet method is computationally simpler, faster, and has low requirements for computer memory. 598

162Υπολογιστικό μοντέλο και αναλύσεις γείωσης του φράχτη σε σταθμούς μέσης τάσης Nikolce Acevski και Mile Spirovski Περίληψη - Γείωση σταθμών μετασχηματιστή (TS) σε δίκτυα ισχύος με ουδέτερο σημείο γειωμένο από μικρή αντίσταση, στην περίπτωση σφάλματος μονού πόλου προς γείωση, μπορεί να βρείτε υψηλές δυνατότητες. Σε μια τέτοια περίπτωση μπορούν να καταγραφούν σημαντικές διαφορές δυναμικού μεταξύ ορισμένων σημείων μέσα και γύρω από το σταθμό μετασχηματιστή και να έρθουν σε υψηλές τάσεις αφής και βήματος. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης μιας συγκεκριμένης περίπτωσης, TS MV/MV (μέσης τάσης) 35/kv 'Omorane', κοντά στο Veles, το οποίο σκοπεύει να βρει τον βέλτιστο τρόπο γείωσης του φράχτη σε ικανοποιημένα κριτήρια ασφαλείας, που δίνονται στο κανόνες και συστάσεις. Η ανάλυση έχει σκοπό όχι απλώς να απαντήσει στο πρόβλημα που έχει ήδη περιγραφεί, άρα να δώσει κάποιες γενικές σκέψεις και συστάσεις στη γενική περίπτωση. Λέξεις κλειδιά - γείωση, σφάλμα προς γείωση, ανάλυση, τάση βήματος και αφής, περίφραξη TS, κριτήρια ασφαλείας I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο μεταλλικός φράκτης TS HV/MV, TS MV/MV μεγαλύτερος χρόνος είναι αντικείμενο διαφορετικής αντιμετώπισης στην πρακτική προβολής σε σχέση με τον τύπο γείωσης και αποχής επικίνδυνων τάσεων βήματος και αφής. Σε αυτό το πρόβλημα είναι γενική προσέγγιση ένας από τους παρακάτω τρόπους: - ο φράκτης γειώνεται με γαλβανική σύνδεση περισσότερων θέσεων στο γενικό πλέγμα γείωσης του TS, σχήμα α. - μέσω ειδικής γείωσης τοποθετημένης από την εξωτερική πλευρά του φράχτη σε απόσταση m που μπορεί να είναι σε γαλβανική σχέση με πλέγμα γείωσης, τη λεγόμενη κοινή γείωση ή γαλβανική διαχωρισμένη από αυτήν, σχήμα β. Στην πρώτη περίπτωση τα εξωτερικά ηλεκτρόδια του πλέγματος γείωσης TS MV/MV συνήθως ακολουθούν περίφραξη της εξωτερικής πλευράς σε απόσταση m. με αυτήν την κατεχόμενη περιοχή αυξάνεται με τη γείωση και η αντίσταση μειώνεται στα κοινόχρηστα μέρη, αλλά το δυναμικό του φράχτη θα είναι ισοδύναμο με την τάση του δικτύου γείωσης. Τα κριτήρια ασφαλείας θα ικανοποιούνται εάν οι κλίσεις δυναμικού και των δύο όψεων του φράχτη ελέγχονται με τη βοήθεια της μοντελοποίησης του δυναμικού. Αλλά αυτό είναι δυνατό μόνο σε περίπτωση χαμηλής ειδικής αντίστασης στο κάτω σημείο ρ, χαμηλού ρεύματος σχεδόν γειωμένης σύνδεσης και ούτω καθεξής, επομένως, στην πιο πρακτική, αυτοί οι όροι δεν πληρούνται. Σε κάποιο rube μπορούν να θεμελιωθούν κάποιες συστάσεις με τις οποίες εξετάζεται αυτή η προβληματική και περιλαμβάνει από μόνη της τον τρόπο γείωσης ουδέτερου σημείου δικτύου. Ο Nikolce Acevski είναι μέλος της Σχολής Τεχνικών Επιστημών, Μπίτολα, Μακεδονία, Е_mail: Ο Mile Spirocski είναι στη Σχολή Τεχνικών Επιστημών, Μπίτολα, Μακεδονία, Е_mail: Εικ.. α) χωρίς β) με ειδική γείωση τοποθετημένη από την εξωτερική πλευρά του φράχτη σε απόσταση m II. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΣΤΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΓΙΑ ΓΕΙΩΣΗ ΤΣ MV Σύμφωνα με το (), στη φάση της προβολής του TS 35/kv ή 35/kv δεν χρειάζεται προεπισκόπηση ή υπολογισμός για γείωση, επομένως το έργο χρειάζεται απλώς να προβλέψει τη γείωση σύμφωνα με αυτήν τη σύσταση. Επομένως χρειάζεται σύνδεση πλέγματος γείωσης TS 35/ kv, TS 35/ kv με δακτυλιοειδές πλέγμα γείωσης περίφραξης, δηλαδή χρειάζεται κοινή γείωση. Η κίνηση του δικτύου με απομονωμένο ουδέτερο σημείο μπορεί να συνεχιστεί με τη χωρητικότητα του ρεύματος σφάλματος προς τη γείωση δεν πρέπει να αυξάνεται περισσότερο από το Α σε δίκτυο 35 kv, δηλαδή Α σε δίκτυο kv. Η γείωση των ουδέτερων σημείων των δικτύων MV (35 kv, kv, kv) είναι υποχρεωτική όταν τα ρεύματα σφάλματος προς τη γείωση επιτυγχάνουν δύο φορές υψηλότερες τιμές από αυτές που αναφέρονται παραπάνω. Τα συστήματα γείωσης του TS έχουν διαστάσεις σύμφωνα με την τάση αφής, επομένως δεν επιτρέπεται να υπερβαίνουν τις τάσεις που εμφανίζονται σύμφωνα με τη φάση (): V T, 75s 75 U doz = V, 75s < T 53, s T 65V T, 53s όπου T είναι διάρκεια από λάθος στο έδαφος. Σύμφωνα με την ίδια σύσταση, τα κριτήρια ασφαλείας s της τάσης αφής θα πληρούνται εάν η συνολική σύνθετη αντίσταση της γείωσης έχει τιμή: kd U d Z u () r I kd - στάση τάσης στο πλέγμα γείωσης του TS και τάση αφής. U - επιτρεπόμενη τάση σύμφωνα με τη σχέση () d k () 599

163Υπολογιστικό μοντέλο και αναλύσεις γείωσης του φράχτη σε σταθμούς μέσης τάσης r - αναγωγικός συντελεστής εναέριας γραμμής MV που δίνουν ρεύμα TS I k - συνολικό επιτρεπόμενο ρεύμα σφάλματος στη γείωση του δικτύου μέσης τάσης. Σύμφωνα με το λογοτεχνικό () για το δίκτυο απομόνωσης όταν το σφάλμα στη γείωση έχει σταθερό χαρακτήρα, αυτές οι τιμές είναι: k d =, U d = 65 V, I k = A. Εάν το TS δίνει ρεύμα πάνω από την εναέρια γραμμή, το ποσό του αναγωγικού συντελεστή είναι r =. Η αντικατάσταση αυτών των τιμών στο () δίνει ότι τα κριτήρια ασφαλείας s θα πληρούνται μόνο εάν η συνολική σύνθετη αντίσταση της γείωσης έχει τιμή χαμηλότερη των 6,5 Ω. Σύμφωνα με την ίδια σύσταση, εάν το δίκτυο είναι με φυσικό σημείο γείωσης πάνω από ενισχυτή χαμηλής σύνθετης αντίστασης με περιορισμό του ρεύματος σφάλματος στη γείωση στα 3 Α, η συνολική αντίσταση (σύνθετη αντίσταση) του συστήματος γείωσης σε TS 35/kV ή 35/kv θα πρέπει να είναι σε σχέση () Z u, 7Ω αν είναι TS 35/ kv ή TS 35/ kv συνδεδεμένο στην εναέρια γραμμή 35 kv, k d = 3, (r=). Σε περίπτωση που δεν ικανοποιηθεί η κατάσταση overheaded, χρειάζεται, χρόνος αποσύνδεσης σε σφάλμα με γείωση σε συλλέκτες 35 kv σε TS 35/ kv ή TS 35/ kv για να είναι πρωτότυπος για τους περισσότερους, 5 με το disturb να είναι γεμάτος κριτήρια ασφαλείας της τάσης αφής που δημιουργείται χωρίς να αποδεικνύεται με λογιστικούς υπολογισμούς ή μέτρηση ή μείωση της τιμής της γείωσης τάσης στη γείωση ασφαλείας (για παράδειγμα: με προσθήκη κάθετων δικτύων γείωσης, προσθήκη για ένα ακόμη δακτυλιοειδές πλέγμα γείωσης κ.λπ., προκειμένου να ικανοποιηθεί ο γενικός όρος. η ίδια σύσταση κατά την αφαίρεση της γείωσης για την εγκατάσταση περιγράμματος (δακτυλιοειδούς) στρογγυλού πλέγματος γείωσης που συνδέεται με αυτό σε περισσότερα σημεία απόστασης m από τον τοίχο του κτιρίου σε βάθος, 8 m. III. ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΟΥ ΤΡΟΠΟΥ ΓΕΙΩΣΗΣ ΣΤΟ ΦΡΑΧΤΗΣ Συχνά στην πράξη το ερώτημα εκτιμάται για την επίδραση του ενός στο πλέγμα γείωσης για διαφορετικά κοντά τοποθετημένα αντικείμενα.Η απάντηση μπορεί να είναι χρήσιμη σε αναλύσεις ασφαλούς και πλέγματος γείωσης εργασίας του TS MV/LV, στον ορισμό διαφορετικής μεταλλικής εγκατάστασης ή καλωδίου μεταλλικό αγώγιμο στρώμα κοντά στα πλέγματα γείωσης στο υπόγειο των αντικειμένων στέγασης όπως στην περίπτωση που στην αξιολόγηση είναι δακτυλιοειδές πλέγμα γείωσης σε φράχτη για να είναι γαλβανικό ξεχωριστό από το κύριο πλέγμα γείωσης ή συνδεδεμένο. Και σε περίπτωση γαλβανικού διαχωρισμένου πλέγματος γείωσης του φράχτη του πλέγματος γείωσης του TS παίρνει κάποια πιθανότητα σφάλματος στο TS ως αποτέλεσμα αυτού που βρίσκεται σε δυναμική χοάνη σε ενεργό πλέγμα γείωσης, (του TS 35/). Τα χαρακτηριστικά και των δύο πλεγμάτων γείωσης μπορούν να υπολογιστούν μέσω του παρακάτω μαθηματικού μοντέλου, με βάση τη γνωστή σχέση του Maxwell. Για δύο πλέγματα γείωσης a και b με n a και n b ευθύγραμμα ηλεκτρόδια εκτός από το (4), (7) εισάγετε: [ U a ] [ U ] b = [ raa ] [ rab ] [ r ] [ r ] ba bb [ I a ] [ ] I b (3) [ U ],[ ] a U b -διάνυσμα τάσεων σε ηλεκτρόδια δικτύων γείωσης με διαστάσεις n, n [ I ],[ ] a I b a b -διάνυσμα ρεύματος αφαίρεσης στα ηλεκτρόδια στη γείωση πλέγματα, με διαστάσεις n δηλαδή n a b raa r bb -τετράγωνος συμμετρικός πίνακας με διαστάσεις n a na [ ],[ ] δηλ. n b nb. Στις κύριες διαγώνιες με δικές αντιστάσεις στα ηλεκτρόδια σε πλέγματα γείωσης, και τα άλλα μέλη είναι αμοιβαίες αντιστάσεις ηλεκτροδίων από το πρώτο (δεύτερο) πλέγμα γείωσης. [ ],[ ] rab r ba-ορθογώνια μήτρα με n a nb,nb na μέλη που παρουσιάζει αμοιβαίες αντιστάσεις στοιχείων από το πλέγμα γείωσης a με στοιχεία από το πλέγμα γείωσης b. Κατά τον υπολογισμό των δικών και κοινών αντιστάσεων που πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι σχέσεις τους με τη σχέση της πεδιάδας στη δική τους ασυνέχεια (χερσαία έκταση), ένας ή ατελείωτος αριθμός ανάλογα με αυτό εάν το έδαφος είναι ομοιογενές ή δεν είναι ομοιογενές, και υπολογίζεται με τη μέθοδο του μέσου δυναμικού, 3. βιβλιογραφία[ ] [ ] Κατά τον υπολογισμό μπορεί να παραλειφθεί η αστοχία τάσης επειδή είναι μικρά στο ηλεκτρόδιο με μικρότερο μήκος και να ληφθεί υπόψη ότι όλα τα στοιχεία βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό, δηλ.: [ U a ] = [ a ] ​​U a και [ U b ] [ b ] U b = (4) Στην τελευταία σχέση έδειξε δύο μονά διανύσματα με ίδιες διαστάσεις όπως τα διανύσματα των τάσεων. Οι παράμετροι δύο σχεδόν γαλβανικών χωριστών δικτύων γείωσης και η αμοιβαία επιρροή τους αναλύονται σε συνθήκες όπου από μερικά από αυτά μετατρέπεται το ρεύμα σε σφάλμα στη γείωση I z, για παράδειγμα από το πλέγμα γείωσης a, σε περίπτωση θεμελιώδους πλέγματος γείωσης. Εκτελέστε μια γείωση b, δακτυλιοειδές φράχτη, δεν έχει ρεύμα σφάλματος στη γείωση. T I = I (5) Από την γενική σχέση προέρχονται: U U a b z [ a ] ​​[ ] b [ a ] ​​[ a ] ​​T [ ] [ ] = b I b (6) = [ raa ] [ rab ] [ r ] [ r ] ba Από τις σχέσεις (5) και (6) προκύπτει: T [ a ] ​​[ b ] T [ ] [ ] bb [ I a ] [ ] I b [ I a ] I = [ I ] z a b Σχέσεις (7) και (8 ) μπορεί να είναι με μία κοινή εξίσωση πίνακα: b (7) (8) 6

164(9) [ raa ] [ rab ] [ a ] ​​[ a ] ​​[ rba ] [ rbb ] [ b ] [ b ] T T [ a ] ​​[ b ] T T [ ] [ ] a Ποια λύση θα είναι: b [ I a ] [ I ] U U b a b = [ C] [ I a ] [ I ] U U [ a ] ​​[ ] b I z b a b Nikolce Acevski και Mile Spirovski [ a ] ​​[ ] = b I z () όπου [ C] = { cij }, αντίστροφος πίνακας σε τετράγωνο πίνακα σε σχέση (9) με διαστάσεις ( n a + nb + ) ( na + nb + ) και [ a ][, b ] μηδενικό διάνυσμα με διαστάσεις n a, n b. Οι σχέσεις συστημάτων () μπορούν να παρουσιαστούν σε προοδευτική μορφή: I a U ( k) = ckj I z I b ( k) = cij I z a = c jj I z U b c j j I z = + () όπου k =,,. ..n a δηλ. k =,,...n b κατάλληλα, i = k + j n a + n + n a = b Για ιδία γείωση ωμικά της πρώτης γείωσης στην υπάρχουσα δεύτερη και αμοιβαία γείωση αντίσταση και των δύο γειώσεων εισαγωγή: U R = U = () a b a = c jj ; Rab = c j+ j I z I z Περαιτέρω μπορεί να υπολογίσει το δυναμικό οποιουδήποτε σημείου M της επιφάνειας του εδάφους όπως η τιμή των δυναμικών που δίνονται ως αποτέλεσμα ρευμάτων κατά την αφαίρεση και από τις δύο γειώσεις: M [ r ] [ I ] + [ r ] [ I ] ϕ = (3) είναι bm b ρεύμα σφάλματος κοντά σε αυτό η γείωση μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τις σχέσεις, τη βιβλιογραφία [ 9 ], και σε αυτό το λάθος να μην είναι μεγαλύτερο από κάποιο %. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι εξισώσεις μήτρας και το δυναμικό του παθητικού πλέγματος γείωσης υπολογίζεται όπως το δυναμικό στο μέγιστο ή το ζωντανό δυναμικό μέσης τιμής υπολογίζεται στα μεσαία σημεία των ηλεκτροδίων σε δακτυλιοειδή. IV. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ Με βάση το απεικονιζόμενο μοντέλο, το οποίο μπορεί να γενικευτεί όπως στο [ 7 ],[ 8], εκ πρώτης όψεως στους συγγραφείς έχει κατασκευαστεί πρόγραμμα υπολογιστή με το οποίο βοήθεια αναλύεται το πρόβλημα της γείωσης του φράχτη του TS 35/ kv Omorane, κοντά στο Veles. Σε αυτό το παράδειγμα, τα δίκτυα στα σκοπευτικά 35 kv και kv είναι με ουδέτερο σημείο απομόνωσης ενώ το δίκτυο, 4 kv είναι απευθείας γειωμένο. Όλα τα kv αποστράγγισης είναι ευάερα και η εισαγωγή είναι ίδια στρογγυλή, έτσι με ένα καλώδιο πάνω από το έδαφος. Ο σταθμός μετασχηματιστή προβλέπεται να λειτουργήσει με απομονωμένο φυσικό σημείο με δυνατότητα μελλοντικής γείωσης, με ό,τι θα χρησιμοποιήσει μέτρια ασφάλεια. Επειδή δεν υπάρχουν συγκεκριμένες προβλέψεις στο οποίο χρονικό διάστημα στο μέλλον μπορεί να φανεί η ανάγκη γείωσης ουδέτερου σημείου, γίνεται διάσταση και παρουσίαση γείωσης για πραγματικές συνθήκες σε δίκτυο 35 kv και kv, αλλά ελέγχεται η παραλλαγή πότε θα γίνει το δίκτυο γειωμένο πάνω από μικρό ωμικά. Η γείωση του ΤΣ γίνεται με την τεχνική σύσταση αρ. 7. Το κτίριο στο οποίο βρίσκεται το πλήρες TS (patch board, command room κ.λπ.) προβλέπεται να έχει θεμελιώδες πλέγμα γείωσης, που παρουσιάζεται με κρότου FeZn 3x4 mm. Το θεμελιώδες πλέγμα γείωσης προβλέπεται σε 3 σημεία που θα συνδεθούν με εξωτερικό πλέγμα γείωσης, παρουσιάζονται με χάλκινο καλώδιο Cu 5 mm απόσταση m από εξωτερικό τοίχωμα αντικειμένου και σε βάθος, 8 m, γιατί αμέσως στον φράκτη γίνεται πεζοδρόμιο με πλάτος. Μ. Το εσωτερικό του κτιρίου είναι παρούσα γραμμή για ισοδυναμία δυναμικού με κρότου FeZn 5x3 mm. στην οποία συνδέονται μεταλλική κατασκευή κυψελών 35 kv και kv, και όλα τα μεταλλικά μέρη. Η γραμμή ισότητας δυναμικού στο αντικείμενο συνδέεται με βασικό πλέγμα γείωσης, πλέγμα γείωσης για μοντελοποίηση δυναμικού και σημείου μηδέν, 4 kv από σταθμό μετασχηματιστή οικιακών αναγκών (με καλώδιο PPOO x6 mm), και εγκατάσταση ράβδου φωτισμού. Το r am r bm είναι μήτρα με αμοιβαία αντίσταση σε όλα τα ηλεκτρόδια και από τις δύο γειώσεις και τους συνδέσμους τους και το σημείο M. Εάν οι γειώσεις είναι γαλβανικές, τότε το συνολικό ρεύμα στο σφάλμα στη γείωση είναι η προσθήκη ρευμάτων στη γη πάνω από ηλεκτρόδια και στις δύο γειώσεις , και το δυναμικό και των δύο γειώσεων είναι ισοδύναμα, επομένως οι εξισώσεις (4), (5), (6), τροποποιούνται. Δύο γαλβανικά συνδεδεμένα πλέγματα γείωσης μπορούν να λυθούν ως μία γείωση. Το δυναμικό που εμφανίζεται σε μία γείωση παρόμοιο αποτέλεσμα στο σημείο όπου [ ][, ] Εικ.. Άποψη θεμελιώδους πλέγματος γείωσης και γείωσης φράχτη του TS 35/ kv Omorane - Veles Η ειδική αντίσταση του θεμελιώδους σταθμού μέσα και γύρω από το μετασχηματιστή είναι ρ = Ω Μ. 6

165Υπολογιστικό μοντέλο και αναλύσεις γείωσης του φράχτη σε σταθμούς μέσης τάσης Αναλύοντας τις γειώσεις αντίστασης στο TS σε δύο περιπτώσεις (όταν είναι γαλβανικά συνδεδεμένες και διαχωρισμένες), πλέγμα γείωσης του TS, αρ., και γείωση σε φράκτη, αρ. όπως και τα δυναμικά που θα βρουν δύο γειώσεις σε σφάλμα στη γείωση του σκοπευτικού kv, U, U. Επίσης, υπολογίζει τις τάσεις αφής που είναι οι μεγαλύτερες στη γωνία του φράχτη, ακολουθούμενη από διαγώνιο, από εσωτερική και εξωτερική θέαση του φράχτη, U dv, U dn. Σε αυτό επιθεωρούνται οι επόμενες 4 περιπτώσεις:. Το δίκτυο είναι μονωμένο, γειώσεις γαλβανικές διαχωρισμένες. δίκτυο είναι μονωμένο, γείωση γαλβανική σύνδεση 3. δίκτυο είναι σφάλμα με γείωση πάνω από μικρό ωμικά, γειώσεις γαλβανικά διαχωρισμένα 4. δίκτυο είναι σφάλμα με γείωση πάνω από μικρό ωμικά, γείωση γαλβανικά συνδεδεμένα Τα αποτελέσματα του υπολογισμού φαίνονται στον πίνακα : ΠΙΝΑΚΑΣ : ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΙΩΣΗΣ περίπτωση 3 4 R ( Ω) 5,37,3 5,37,3 U (V) 7,38 44,6 6,7 669,5 U (V) 3, 44,6 348,5 669,5 U / U( %),6,,6, U dv (V) 5,,63 75,5 74,45 U dn (V) 6,36 8,4 95,4 76, U dv / U (%),59 6,7,59 6,7 U dn / U % 7,4 4,4 7,4 4,4 ( ) Δείχνει ότι σε περίπτωση μόνωσης δικτύου ο όρος () ικανοποιείται και στις δύο περιπτώσεις. Αλλά αν το δίκτυο γειωθεί σε μικρό αντίσταση, τότε η γείωση με αντίσταση είναι υψηλότερη από περιορισμένα, 7 Ω. Από τον πίνακα μπορούμε να δούμε ότι στις περιπτώσεις π.χ. 4, η ωμική γείωση είναι μικρότερη ως δυναμικό του κύριου πλέγματος γείωσης. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση και οι δύο γειώσεις προχωρούν στο ίδιο δυναμικό που είναι δυναμικό του φράχτη και είναι μεγαλύτερο από τις περιπτώσεις, 3. Όπως το αποτέλεσμα σε αυτό το βήμα και οι τάσεις αφής από εσωτερική και εξωτερική πλευρά είναι μεγαλύτερες από ό,τι σε περιπτώσεις που οι γειώσεις είναι διαχωρισμένες γαλβανικά. Αυτό είναι σημαντικό στην περίπτωση 4 όταν είναι συνδεδεμένα και το δίκτυο είναι γειωμένο. Σε αυτή την περίπτωση έχουμε τάσεις αφής υψηλότερες από περιορισμένες. Εάν το σώμα του ανθρώπου με αντίσταση, στην καλύτερη περίπτωση, ο άνθρωπος μπορεί να εμφανίσει τάση 3,5 % χαμηλότερη από την τιμή που φαίνεται στον πίνακα. Για κρίσιμη περίπτωση, σε επαφή με την εξωτερική όψη του φράχτη, αυτή η τιμή για τις περιπτώσεις 3, δηλαδή 4 θα είναι 9,9 V, δηλαδή 89,75 V. Έτσι, σε συνθήκες εργασίας με ουδέτερο σημείο μόνωσης, οι όροι για ασφάλεια με σύσταση ικανοποιούνται και στις δύο περιπτώσεις Και αυτό είναι σχεδόν αδιάφορο είναι η δακτυλιοειδής γείωση του φράχτη και το πλέγμα γείωσης του TS θα είναι γαλβανικά συνδεδεμένο ή όχι. Αλλά σε ενδεχόμενη διασταύρωση του δικτύου με γειωμένο ουδέτερο σημείο τα κριτήρια ασφαλείας είναι πολύ πιο εύκολο να ικανοποιηθούν εάν οι γαλβανικές γειώσεις είναι διαχωρισμένες. Σε αυτήν την περίπτωση, η διάρκεια της βλάβης περιορίζεται στα 5 δευτερόλεπτα. Η επιτρεπόμενη τάση αφής, εσωτερική και εξωτερική εγκατάστασης για αυτή τη φορά με σύσταση, σχέση (), είναι 5 V. Από εδώ μπορούμε να συμπεράνουμε ότι σε περιπτώσεις εργασίας με γειωμένο φυσικό σημείο τα κριτήρια ασφαλείας πληρούν το εσωτερικό του φράχτη, το οποίο δεν είναι θήκη έξω από φράχτη. Για να ικανοποιηθούν αυτές οι προϋποθέσεις σε αυτήν την περίπτωση χρειάζεται ειδική αντίσταση θεμελιώδους γύρω από το TS για να συνεχιστεί, ή να προσθέσετε έναν ακόμη δακτύλιο ή κατακόρυφα στοιχεία στο poll σε δακτυλιοειδή γείωση του φράχτη ή αποστράγγισης του TS για να κάνει με καλώδια με νεκρικό εξωτερικό στρώμα όπως στο παράδειγμα. IPO 3 που δείχνει ότι είναι εξαιρετικές γειώσεις. V. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Οι αναλύσεις δείχνουν ότι οι προβολείς που εργάζονται σε αυτήν την προβληματική δεν πρέπει να τηρούν αδιαμφισβήτητα τη σύσταση, επομένως θα πρέπει να κάνουν κάποιους υπολογισμούς. Δείχνει ότι η τεχνική σύσταση αριθ. 7. εισάγει με συνέπεια εάν το δίκτυο είναι με ουδέτερο σημείο μόνωσης. Σε αυτή την περίπτωση ωφελεί από κοινού τη γείωση. Αλλά σε ενδεχόμενη διασταύρωση εργασιών σε ουδέτερο σημείο σφάλματος σε γειωμένο πάνω από μικρό ωμικά, (για το οποίο στη χώρα μας αυτή τη στιγμή γίνεται ολοκληρωμένη δράση συνοδείας), εάν προχωρούσε με συνέπεια της σύστασης, τα κριτήρια ασφαλείας μπορούν από το πιο υψηλό βήμα και οι τάσεις να μην αγγίζουν να είναι ικανοποιημένος. Σε αυτή την περίπτωση, τα κριτήρια ασφαλείας μπορούν να ικανοποιηθούν πολύ ευκολότερα εάν διαχωριστούν τα γαλβανικά από τη γείωση του φράχτη, από το πλέγμα γείωσης TS HV/MV, TS MV/MV. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΕΣ [] J. M. Nahman, "Uzemljenje neutralne tacke distributivnih mreza", Naucna knjiga, Beograd 98. [] J. M. Nahman, "Programi EFD- i EFD- za proracun uzemljivackih sistema u dvoslojnovA I homoge, Br. 977. [3] J. M. Nahman, "Numericki postupak za proracun medjusobnih otpornosti tankih pravoliniskih provodnika", ELEKTROTEHNIKA, ELTHB, 7 Zagreb,Maj-Juni 984, str [4] D. Jelovacki us analiza /M. 4 kv», ELEKTROTEHNIKA, ELTHB, 9, Zagreb, Maj- Juni 986, pp [5] I. Zelic, I. Medic, «Analiza utjecaja uzemljivaca ograde postrojenja na raspodelu potencijala u okolnom tlu», ELKAB,9,Elth. , str [6] Galek, "Analiza dodirnog napona i nacina uzemljenja ograde elektroenergetskog postrojenja", ELEKTROTEHNIKA, ELTHB, 9, Zagreb, str [7] N. Acevski, R. Ackovski, "Determining of galvanically διαχωρισμένα συστήματα γείωσης" , MELECON', th Mediterranean Electrotechnical Conference 9-3 Μαΐου ΚΥΠΡΟΣ, IEEE Region 8. No, MEL36. [8] N. Acevski, J. Sikoski, " Resavanje na galvanski odvoeni zazemjuvaci i zazemjuvacki sistemi", I Sovetuvawe na ESM, Bitola, 6-8 dekemvri 999g., str [9] N. Acevski, R. Ackovski, " Izvoz na potencijali vo metalnite installacii i zazemjuvaci na stanbeni objekti", I Sovetuvawe na ESM Bitola, 6-8 dekemvri 999g., str [] TP-7 na EPS na Srbija (Izvodjenje uzemljenja distributivnih kvv, /, 35/ 4 kv, /,4 kv i 35/,4 kv, III Izdanje, juni 996). 6

166EQ SESSION I Quality of education I


168Meaning Making Through e-learning B. Gradinarova και Yuri Gorvits Περίληψη Έχουν προταθεί διαφορετικές προσεγγίσεις για να προσθέσουν περισσότερη εκπαιδευτική αξία στην ηλεκτρονική μάθηση. Μία από αυτές τις απόψεις προτείνει σύγχρονα παιδαγωγικά μοντέλα που ταιριάζουν καλύτερα στη φύση των μοναδικών χαρακτηριστικών της τεχνολογίας. Μια σχετική προσέγγιση είναι η ενσωμάτωση της σύγχρονης θεωρίας μάθησης και εκπαιδευτικού σχεδιασμού σε νέα κανάλια επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης που παρέχονται από τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνίας όπως το Διαδίκτυο. Αυτή η μελέτη παρουσιάζει ένα μοντέλο για την ηλεκτρονική μάθηση που απεικονίζεται με μια συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης ενδοϋπηρεσιακής κατάρτισης εκπαιδευτικών στη μάθηση με ψηφιακά μέσα. Οι ανέπαφες ηλεκτρονικές κοινότητες αναπτύχθηκαν μέσω της αλληλεπίδρασης και της επικοινωνίας χρησιμοποιώντας υπηρεσίες Διαδικτύου για την ανταλλαγή νοημάτων, απόψεων και κατανόησης. Λέξεις-κλειδιά ηλεκτρονική μάθηση, ηλεκτρονικές κοινότητες, μοντέλα μάθησης. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Έχουν προσφερθεί διάφορες προσεγγίσεις για να προσθέσουν περισσότερη εκπαιδευτική αξία στα προγράμματα εξ αποστάσεως εκπαίδευσης. Πολλά προγράμματα ηλεκτρονικής μάθησης δίνουν έμφαση στην ηλεκτρονική πλευρά, εστιάζοντας στο σύστημα διαχείρισης μάθησης που χρησιμοποιείται και αναζητώντας νέα εργαλεία για τη βελτίωση της εξ αποστάσεως εκπαίδευσης [3]. Παρόλο που αυτές οι απόψεις είναι απαραίτητες, πιστεύουμε ότι κατά κάποιο τρόπο χάνεται η κεντρική εστίαση. Ελάχιστες μελέτες σχετικά με παιδαγωγικά μοντέλα εξ αποστάσεως εκπαίδευσης που ταιριάζουν στα ιδιαίτερα και μοναδικά χαρακτηριστικά του Διαδικτύου προτείνονται. Τα περισσότερα προγράμματα ακολουθούν έναν τρόπο διδασκαλίας με κιμωλία και ομιλία χωρίς να δίνουν ιδιαίτερη σημασία στην καινοτομία σχεδιάζοντας νέα παιδαγωγικά μοντέλα που ταιριάζουν στα μοναδικά χαρακτηριστικά των νέων μέσων [5],[6]. Μπορούμε να πούμε ότι αυτό το όραμα είναι κοντά στο παλιό κρασί σε νέα όψη φιάλης. Άλλες μελέτες προσδιορίζουν τα συστήματα διαχείρισης μάθησης ως βασικά εργαλεία που καθορίζουν τη μεθοδολογία και τις στρατηγικές μάθησης. Το πλαίσιο λογισμικού επιβάλλει έναν τρόπο διδασκαλίας που μειώνει την ευελιξία που απαιτείται από τις ενεργητικές μεθοδολογίες μάθησης [3],[]. Πολλά από αυτά τελειώνουν με ένα μοντέλο προσαρμοσμένο στο τεχνολογικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται αντί για ένα πλαίσιο λογισμικού που βασίζεται στις ανάγκες και τα χαρακτηριστικά που δίνονται από το παιδαγωγικό μοντέλο που υποτίθεται. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να καταλήξουμε σε ορισμένες αρχές ηλεκτρονικής μάθησης που υποστηρίζουν οποιαδήποτε εφαρμογή μαθημάτων, όπως: Προώθηση ενεργού ρόλου των μαθητών στην οικοδόμηση της γνώσης, προώθηση ουσιαστικής μάθησης, προώθηση ευρείας και βαθιάς μάθησης, ανάπτυξη δεξιοτήτων , στάσεις και αξίες, για την Boyka Gradinariva είναι με το τμήμα Επιστημών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. στο TU-Varna,Studentska Str.,9 Varna, Bulgaria, Ο Yury Gorvits είναι Διευθυντής Ανάπτυξης Επιχειρήσεων Εκπαίδευσης & Έρευνας στο ORACLE 5, Savvinskaya Moscow, 9435, Ρωσία Το επιτρέπει πραγματικές εμπειρίες μέσω του πραγματικού κόσμου δραστηριότητες, για την προώθηση της συνεργατικής μάθησης, για την προώθηση ενός μεταβαλλόμενου ρόλου των δασκάλων/καθηγητών ως διευκολυντών μάθησης, για τη συμμετοχή των μαθητών ως συναξιολογητών, για να κάνουν τους μαθητές να προβληματιστούν για το τι κάνουν, για τη χρήση της τεχνολογίας για τον εμπλουτισμό της μάθησης, για την ενίσχυση της δράσης στη γνώση αντικείμενα, για την επίλυση γνωστικών συγκρούσεων Αυτές οι αρχές προκύπτουν από υποκείμενες θεωρίες και μοντέλα μάθησης όπως ο κονστρουκτιβισμός, η κατανόηση ως σκέψη, η κατανόηση ως δίκτυο, η κοινωνική αλληλεπίδραση, η κοινωνική κατανομή, η μάθηση σε τοποθεσία, η γενικευμένη μάθηση και η αυτορυθμιζόμενη μάθηση [],[8] . Αυτή η μελέτη εισάγει ένα μοντέλο για την ηλεκτρονική μάθηση που βασίζεται σε αυτές τις αρχές, μοντέλα και θεωρίες. Περιγράφουμε τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και την αξιολόγηση ενός προγράμματος e-learning. Το παιδαγωγικό μας μοντέλο απεικονίζεται με μια πιλοτική εφαρμογή με εκπαιδευτικούς. Υπογραμμίζουμε τον τρόπο με τον οποίο οι δάσκαλοι κατασκευάζουν νόημα στοχαζόμενοι στη διδασκαλία και τη μάθηση. II. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Σχεδιάσαμε ένα ολόκληρο πρόγραμμα ηλεκτρονικής μάθησης για εκπαιδευτικούς. Θέλαμε να διατηρήσουμε την ακαδημαϊκή ποιότητα και να καινοτομήσουμε στον τρόπο που παρέχουμε εκπαίδευση τόσο την τεχνολογία όσο και το μοντέλο μάθησης. Για να γίνει αυτό ακολουθήσαμε τα εξής βήματα: Αξιολόγηση τεχνολογίας: Επιλέξαμε ένα σύστημα διαχείρισης μάθησης και αξιολογήσαμε τις τεχνικές απαιτήσεις Οργάνωση ομάδας: Δημιουργήσαμε μια διεπιστημονική ομάδα για την υλοποίηση του προγράμματος ηλεκτρονικής μάθησης με μηχανικούς, εκπαιδευτικούς και ειδικούς πληροφορικής και εκπαίδευσης. Μοντέλο μάθησης: Αφού γνωρίσαμε τα χαρακτηριστικά του LMS και το περιεχόμενο σχεδιάσαμε ένα παιδαγωγικό μοντέλο για την ηλεκτρονική μάθηση. Πιλοτικές δοκιμές: Σχεδιάσαμε ένα πιλοτικό πρόγραμμα δοκιμών για μεθοδολογίες για τη χρήση τεχνολογιών της πληροφορίας με μειωμένο αριθμό καθηγητών. Δοκιμάσαμε τη λειτουργία του LMS και το παιδαγωγικό μοντέλο. Αξιολογήσαμε επίσης διάφορα υλικά, διεπαφές εργασίας, στρατηγικές μάθησης, τύπο αλληλεπιδράσεων και χρόνο που αφιερώθηκε σε διαφορετικά τμήματα του μαθήματος. Μοντελοποίηση: Σχεδιάσαμε και εφαρμόσαμε τη δομή του LMS λαμβάνοντας υπόψη το μοντέλο μάθησης και τη δομή του προγράμματος μαθημάτων. Μοντελοποιήθηκε το περιεχόμενο οκτώ μαθημάτων. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του περιεχομένου ήταν ήδη σε ψηφιακή μορφή διευκολύνοντας τη διαδικασία μοντελοποίησης περιεχομένου. Διαδικτυακά τμήματα: Οι μαθητές επιλέχθηκαν και εγγράφηκαν. Στη συνέχεια, την πρώτη εβδομάδα επιθεώρησαν την πλατφόρμα ακολουθώντας μια ενότητα εισόδου. Οι μαθητές άρχισαν επίσης να επικοινωνούν εικονικά και να γνωρίζονται μεταξύ τους. Διαδικτυακές ενότητες: Για την αλληλεπίδραση των μαθητών σε κάθε μάθημα, σχεδιάσαμε ενότητες με ατομικές και ομαδικές δραστηριότητες έως 65

169προϊόντα σχεδίασης εβδομαδιαία. Χρησιμοποίησαν διαφορετικά εργαλεία αλληλεπίδρασης, όπως chat και φόρουμ για να κάνουν συλλογικά σχέδια και κατασκευές. Ενότητες πρόσωπο με πρόσωπο: Σχεδιάσαμε τρεις από τις οκτώ ενότητες μαθημάτων που θα παραδίδονται πρόσωπο με πρόσωπο. Περιέλαβαν περιεχόμενο που απαιτεί περισσότερη αλληλεπίδραση μαθητή-μεσολαβητή. Κάθε μάθημα παραδόθηκε σε μια εντατική εβδομάδα με θέμα ημέρας και συλλογικές εργασίες. Αξιολόγηση: Τελικά αξιολογήσαμε τα μαθήματα μέσω ερωτηματολογίων και δημοσκοπήσεων για να λάβουμε ιδέες, σχόλια και προτάσεις σχετικά με διαδικτυακά και πρόσωπο με πρόσωπο μαθήματα. Υλοποιήσαμε επίσης μια ομάδα εστίασης με καθηγητές και καθηγητές του προγράμματος μαθημάτων για να αναλύσουμε και να συζητήσουμε την επίτευξη στόχων και στόχων. Meaning Making Through e-learning A. Ένα μοντέλο για e-learning Το μοντέλο μας βασίζεται σε κονστρουκτιβιστικές αρχές μάθησης [8]. Θεωρούμε τη μάθηση ως τη διαδικασία κατασκευής και τροποποίησης των γνωστικών δομών μέσω της μάθησης μέσω της εμπειρίας και της συνεργασίας. Κάθε ενότητα του κύκλου μάθησης είναι προσανατολισμένη στην επίτευξη μιας ουσιαστικής μάθησης με βάση τα συμφραζόμενα. Οι εκπαιδευόμενοι καλούνται να προβληματιστούν, να εφαρμόσουν, να κριτικάρουν, να επιχειρηματολογήσουν και να λύσουν προβλήματα και έτσι να τους επιτρέψουν να κατασκευάσουν τις δικές τους αναπαραστάσεις. Εντοπίζουμε πέντε κύριες διαδικασίες στην ηλεκτρονική μάθηση: συνειδητοποίηση, προσέγγιση, εννοιολόγηση, δόμηση και εφαρμογή. Η συνειδητοποίηση συνεπάγεται τον προσδιορισμό της εκπαιδευτικής πρόκλησης. Αυτή η διαδικασία συνίσταται στον προσανατολισμό των μαθητών στις σπουδές τους με τον εντοπισμό του προβλήματος και τη διατύπωση της άποψής τους. Κατανοούν επίσης τους στόχους της προτεινόμενης εργασίας μαθημάτων και τα σημεία εκκίνησης. Γνωρίζουν τι θα μάθουν και τον λόγο για τον οποίο προτείνονται οι δραστηριότητες. Ο εκπαιδευόμενος πρέπει να κάνει αναπαραστάσεις των αναμενόμενων προϊόντων και αποτελεσμάτων, καθώς και το σκεπτικό για να γίνει αυτό. Η συνειδητοποίηση περιλαμβάνει τη διαδικασία παρακίνησης, αναγνώρισης προβλήματος και αντίθεσης προ-έννοιας/έννοιας. Η προσέγγιση συνίσταται στην κατασκευή μιας νέας μάθησης και άποψης από μαθητές που καθοδηγούνται από μια ομάδα επαγγελματιών που σχεδιάζουν ποικίλες μεθοδολογικές προτάσεις για να ταιριάζουν στα γνωστικά τους στυλ. Η ιδέα είναι να δημιουργήσουμε μια γνωστική σύγκρουση για να αμφισβητήσουμε τα διαισθητικά μοντέλα του μαθητή και να εντοπίσουμε τα δυνατά σημεία των προτεινόμενων μοντέλων. Περιλαμβάνει τη διαδικασία του προβληματισμού, της διατήρησης, της προσαρμογής, της εξερεύνησης και της έρευνας. Η εννοιολόγηση περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των εννοιών και των πιθανών εννοιολογικών αλλαγών κατά την εξερεύνηση και προσέγγιση του περιεχομένου. Περιλαμβάνει τις διαδικασίες της μεταγνώσης, της αναπαράστασης και της προσαρμογής. Η δόμηση συνεπάγεται την κατασκευή νοήματος μέσω διδακτικών στρατηγικών όπως η σύνθεση, η παρακολούθηση και η μεταγνώση. Αυτό περιλαμβάνει διαδικασίες όπως η ανάλυση, η σύνθεση, η διατήρηση, η μεταγνώση και η αφαίρεση. Η εφαρμογή συνίσταται στο να δοθεί η ευκαιρία στους μαθητές να εφαρμόσουν τις αντιλήψεις τους σε νέα και διαφορετικά σενάρια. Περιλαμβάνει αξιολόγηση, απεικόνιση, προσαρμογή, αφαίρεση, επίλυση προβλημάτων, δημιουργία συμφραζομένων και μεταγνώση. Εικ.. Ένα μοντέλο για την ηλεκτρονική μάθηση Η εικονική αλληλεπίδραση ενεργοποιεί ένα συνεργικό αποτέλεσμα στο μοντέλο μεταφέροντας αυτές τις πέντε διαδικασίες γνώσης αποτελεσματικά και έτσι επιτρέπει την ανατροφοδότηση, την αντιμετώπιση ιδεών, την ανακάλυψη και τη συνεργασία. Όλες αυτές οι διαδικασίες είναι κρίσιμες για την κατασκευή του νοήματος. Β. Εκπαίδευση εκπαιδευτικών μέσω της ηλεκτρονικής μάθησης Η έρευνά μας πραγματοποιήθηκε στο Κέντρο ανάπτυξης εκπαιδευτικών στο Ινστιτούτο Ανοιχτής Εκπαίδευσης της Μόσχας. Εκεί έχουμε εφαρμόσει μια εμπειρία e-learning προκειμένου να σχεδιάσουμε και να αξιολογήσουμε το προτεινόμενο μεθοδολογικό μοντέλο μάθησης. Θέλαμε επίσης να αξιολογήσουμε το σύστημα διαχείρισης μάθησης που χρησιμοποιήθηκε και να εντοπίσουμε τα κύρια στοιχεία και τις στρατηγικές για την εφαρμογή ενός μαθήματος ηλεκτρονικής μάθησης. Εικ.. κύκλος ηλεκτρονικής μάθησης Για να γίνει αυτό ακολουθήσαμε πέντε φάσεις: Σχεδιασμός, υλοποίηση, αξιολόγηση, ανατροφοδότηση και επανασχεδιασμός. Ο σχεδιασμός του κύκλου ηλεκτρονικής μάθησης περιλάμβανε διαδικασίες όπως η είσοδος σε μια ενότητα περιεχομένου, η ανάλυση εγγράφων, η διαπραγμάτευση του νοήματος και η εφαρμογή όσων έχουν μάθει οι εκπαιδευόμενοι μέσω της συλλογικής κατασκευής για να τελειώσει με μια ομαδική σύνθεση (βλ. Εικόνα ). Έχουμε δημιουργήσει έναν εικονικό χώρο αλληλεπίδρασης για κάθε ενότητα περιεχομένου για να ενσωματώσει την κατασκευή της γνώσης γύρω στο 66

170B. Gradinarova και Yuri Gorvits ένα θέμα. Λόγω του γεγονότος ότι η ποιότητα της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μαθητών δεν ήταν σιωπηρή, εφαρμόσαμε μια αρχική στρατηγική για να σπάσουμε τα αρχικά εμπόδια επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης. Οι μαθητές έπρεπε να συστηθούν στην τάξη αναδεικνύοντας τις προσωπικές δυνάμεις με παιχνιδιάρικο τρόπο και απαριθμώντας τις προσδοκίες τους στο μάθημα. Μαθήματα όπως αυτό που παρουσιάζουμε θα πρέπει να επικεντρώνονται στον χρόνο που ο φόρτος εργασίας των εκπαιδευτικών δεν είναι υψηλός. Ο χρόνος που αφιερώνει ο μαθητής στο μάθημα είναι κλειδί για τη διατήρησή τους στην τάξη. Ο ρόλος που διαδραματίζουν οι διαμεσολαβητές είναι πολύ σημαντικός για την προώθηση της συμμετοχής και της οικοδόμησης γνώσης. Το σύστημα διαχείρισης μάθησης που χρησιμοποιείται μπορεί να καθορίσει το είδος των δραστηριοτήτων που θα εφαρμοστούν αλλά όχι απαραίτητα το εμπλεκόμενο μοντέλο μάθησης. Η στρατηγική παρακολούθησης είναι επίσης σχετική με την εμπειρία ηλεκτρονικής μάθησης. Οι διαμεσολαβητές και οι διαχειριστές θα πρέπει να διαθέτουν εργαλεία για την οπτικοποίηση της δράσης του μαθητή μέσα στο εικονικό περιβάλλον. Πιστεύουμε επίσης ότι η χρονική περίοδος που αφιερώνεται στη διδασκαλία και τον συντονισμό μπορεί να καθορίσει την ποιότητα της μαθησιακής εμπειρίας στα διαδικτυακά μαθήματα. Αυτό σημαίνει χρόνο για επίλυση προβλημάτων, παρακολούθηση και δημιουργία κλίματος εργασίας που θα παρακινεί τους μαθητές να συμμετέχουν ενεργά στη μαθησιακή διαδικασία. III. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΚΕΣ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ Κάθε διαδικτυακό μάθημα χωρίστηκε σε πέντε εργασιακές ενότητες για έξι εβδομάδες με τελική αξιολόγηση. Οι μονάδες αναπτύχθηκαν σε εβδομαδιαία βάση και ολοκληρώθηκαν με ατομικό ή συλλογικό προϊόν. Η τελευταία εβδομάδα ήταν αφιερωμένη στην προετοιμασία και τη λήψη της τελικής αξιολόγησης. Κάθε ενότητα αποτελούνταν από περιγραφή ενότητας, στόχους, γενικές οδηγίες, δραστηριότητες, υποστηρικτικό υλικό, συνδέσμους ιστού και διαδικτυακές συζητήσεις γύρω από κάθε δραστηριότητα και έγγραφο εργασίας. Κατά τη διάρκεια κάθε ενότητας οι μαθητές συμμετείχαν σε δραστηριότητες όπως σύνθεση εγγράφων, γλωσσάρι όρων, περιλήψεις, γραφικές αναπαραστάσεις (σχήματα, εννοιολογικοί χάρτες), συλλογικές κατασκευές εγγράφων, συγκριτικά γραφήματα και μελέτες περιπτώσεων. Κάθε μάθημα αποτελούνταν από ένα τμήμα εικονικής τάξης, συγχρονική επικοινωνία με τον καθηγητή που ήταν υπεύθυνο για το μάθημα και διάφορα φόρουμ συζήτησης για την υλοποίηση δραστηριοτήτων και εγγράφων. Υπεύθυνος του μαθήματος ήταν ένας καθηγητής, βοηθούμενος από έναν συντονιστή και έναν βοηθό καθηγητή. IV. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΝΟΗΜΑΤΟΣ ΜΕΣΩ ΕΙΚΟΝΙΚΗΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ Βασίσαμε την παρατήρησή μας στην κατασκευή νοήματος όταν οι εκπαιδευόμενοι αλληλεπιδρούσαν μέσα στην Τάξη Εικονικού Διαλόγου. Υπάρχουν δύο διαδικασίες: Παρουσίαση και σύγκριση. Η παρουσίαση περιλαμβάνει τη διατύπωση γνώμης, σχολίου, πληροφοριών ή γνώσης. Η σύγκριση περιλαμβάνει αντίθεση πεποιθήσεων και προσωπικών γνωστών γνώσεων με άλλους μαθητές, επαληθεύοντας συμφωνίες και διαφωνίες. Αυτό συνεπάγεται τρεις άλλες διαδικασίες: Παραποίηση, συμπλήρωση και ανακάλυψη. Η παραποίηση υπονοεί την ανάθεση ψευδούς ή λάθους σε ένα σχόλιο ή κρίσεις ως αποτέλεσμα της απογοήτευσης με μια πεποίθηση, σχόλιο ή ιδέα γνώσης. Συμπλήρωμα σημαίνει ότι συμφωνούμε με το σχόλιο και το αποδεχόμαστε ως αλήθεια αλλά πιστεύουμε ότι είναι ελλιπές. Η ανακάλυψη είναι νέα γνώση για μάθηση ή νέοι τρόποι προβολής μιας γνωστής γνώσης. Αυτές οι διαδικασίες ομαδοποιούνται στην πιο γενική διαδικασία σύγκρισης και μπορούν να εξωτερικευθούν ή απλώς να υποβληθούν σε διανοητική επεξεργασία χωρίς να το εξηγήσουν. Η ιδέα της μελέτης μας ήταν να προχωρήσουμε περισσότερο στην απλή παρουσίαση πληροφοριών. Ενθαρρύνουμε συζητήσεις όπου η προσωπική γνωστή γνώση δοκιμάζεται απόδειξη λόγω της συλλογικής αλληλεπίδρασης που τελειώνει με μια συλλογική κατασκευή κοινωνικής γνώσης. Εάν επιθυμούμε να αξιολογήσουμε αυτές τις διαδικασίες ως έναυσμα για ουσιαστική μάθηση, παρατηρήσαμε μια άμεση σχέση μεταξύ της προηγούμενης γνώσης και της ποιότητας της κατασκευής της γνώσης. Επομένως, όσο περισσότερες γνώσεις μπορεί να έχει ένας δάσκαλος για ένα συγκεκριμένο θέμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα παραποίησης. Αυτό είναι πολύ σχετικό κατά την ανάθεση ρόλου σε περιεχόμενο και υποστηρικτικό υλικό για την τάξη εικονικού διαλόγου. V. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Ο κύριος στόχος αυτής της μελέτης ήταν η ανάπτυξη ενός μοντέλου για την ηλεκτρονική μάθηση και η δοκιμή του με μια ομάδα εκπαιδευτικών χρησιμοποιώντας σύγχρονες θεωρίες και αρχές μάθησης που ταιριάζουν καλύτερα στην ηλεκτρονική μάθηση. Μερικές από τις προϋποθέσεις του σχεδιασμού μας ήταν οι τεράστιες δυνατότητες της συλλογικής εργασίας και της εικονικής αλληλεπίδρασης στην ηλεκτρονική μάθηση, όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία. Ωστόσο, αυτές οι στρατηγικές μάθησης δεν είναι σιωπηρές και παρόλο που μπορούν να διευκολύνουν τη μάθηση, μπορούν επίσης να την εμποδίσουν. Για να βελτιωθεί αυτό, υπάρχουν ορισμένες στρατηγικές, όπως οι εκπαιδευτικοί να μοιράζονται τα ενδιαφέροντά τους σε ομάδες και να διατηρούν μη τυπική επικοινωνία κατά τη διάρκεια της εργασίας του μαθήματος. Αυτό ευνοεί την εμπιστοσύνη μεταξύ των μαθητών και την ομαδική αλληλεπίδραση γύρω από ακαδημαϊκές εργασίες. Μία από τις βασικές πτυχές για τη διευκόλυνση της συνεργασίας ήταν η επίλυση εκπαιδευτικών προβλημάτων. Ο δάσκαλος θα μπορούσε να συζητήσει θέματα με βάση την καθημερινή του εμπειρία συνδέοντας τη θεωρία με την πράξη και λαμβάνοντας υπόψη τις γνώσεις του δασκάλου. Συνιστάται επίσης ένας ισορροπημένος συνδυασμός ατομικών και συνεργατικών στρατηγικών. Τα προγράμματα ηλεκτρονικής μάθησης θα πρέπει να εκμεταλλεύονται τις μοναδικές δυνατότητες του Διαδικτύου ως μέσο επικοινωνίας προχωρώντας πέρα ​​από την απλή επικοινωνία μαθητών δασκάλων και δίνοντας έμφαση στην ομαδική εργασία μεταξύ των μαθητών. Πιστεύουμε ότι τα προγράμματα εξ αποστάσεως εκπαίδευσης πρέπει να εκμεταλλεύονται τα μοναδικά χαρακτηριστικά και την προστιθέμενη αξία ενός ισχυρού μέσου όπως το διαδίκτυο. Έτσι, ορισμένες κονστρουκτιβιστικές θεωρίες και αρχές μπορούν να ενσωματωθούν σε εικονικά περιβάλλοντα για να προωθήσουν την ενεργή μάθηση και την κατασκευή του νοήματος. Παρουσιάσαμε ένα μοντέλο ηλεκτρονικής μάθησης και περιγράφουμε τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και την αξιολόγηση ενός προγράμματος κατάρτισης για εκπαιδευτικούς. Αναλύσαμε τη δομή της γνώσης από τον δάσκαλο στοχαζόμενοι στη διδασκαλία και τη μάθηση. Μέσω της αλληλεπίδρασης και της επικοινωνίας έχουμε αναπτύξει ηλεκτρονικές κοινότητες γύρω από το παιδαγωγικό περιεχόμενο. Πιστεύουμε ότι αυτό το 67

171The experience of meaning-making through e-learning reflects a way of knowledge construction by teachers that is not exclusive to e-learning. rather, it can be meaningfully used during everyday pedagogical practice at school. REFERENCES [] Collis, B. (997). Pedagogical redesign: A pedagogical approach to enriching and redesigning courses with the WWW. Educational Technology Review, 8, -5. [] Dillenbourg, P. (). Virtual learning environments. Proceedings of the EUN conference, Learning in the new millennium: Building new educational strategies for schools. Workshop on virtual learning environments. Geneva. [3] Garrison, D. & Anderson, T. (3). E-learning in the century: A framework for research and practice. New York: Routledge/Falmer. [4] Haddad, W. (3). Is educational technology necessary for learning?. TechKnowLogia, 5-6, January March. [5] Haavin, S. (). Why Face-to-Face Teaching Strategies Don't Work in the Virtual Classroom? How to avoid the question mill. [6] Harasim, L., S.R. Hiltz, L. Teles, and M. Turoff. (995). Learning networks. Cambridge, MA: MIT Press. [7] Harasim, L. (99). (Ed.). Online education: Perspectives for a new environment. New York: Praeger. [8] Jonassen, D. (998). The computer as a tool of the mind. TechTrends, 43(), 4-3, March. [9] Jonassen, D. (995). Constructivism and computer-mediated communications in distance education. American Journal of Distance Education, 9(), 7-6. [] Kozma, R., Zucker, A., Espinoza, C., McGhee, R., Yarnall, L., Zalles, D., and Lesis, A. (). Online course experience: Evaluation of the third year of a virtual high school implementation, 999- Final Report, [] Meyen, E.L., Aust, R.J., Gauch, J.M., Hinton, H.S., Isaacson, R.E., Smith, S.J., Tee, M.Y. (). e-learning: A programmatic research construct for the future. Journal of Special Education Technology, 7(3), [] Salomon, G. (988). New Constructivist Learning Environments and New Technologies: Some Issues to Address. Research dialogue in learning and teaching, (),

172Μηχανική Λογισμικού e-learning Μαθηματικό Λογισμικό Bekim Fetaji, Shefik Osmani και Majlinda Fetaji 3 Περίληψη Η έρευνα προτείνει έναν νέο τρόπο αντιμετώπισης της διαδικασίας δημιουργίας διαδραστικών περιβαλλόντων ηλεκτρονικής μάθησης με την ενσωμάτωση και την ανάληψη της προσέγγισης μηχανικής λογισμικού με βάση τα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μάθησης . Η κύρια έρευνα επικεντρώθηκε στη δημιουργία μιας λύσης λογισμικού e-learning μαθηματικών που θα χρησιμοποιηθεί στο μάθημα Discrete Mathematics για την εκμάθηση μαθηματικών λειτουργιών διαφορετικών τύπων όπως σύστημα γραμμικών εξισώσεων, πίνακες, ορίζοντες, συναρτήσεις κ.λπ. Αυτό δίνει στους μαθητές επιπλέον πλεονεκτήματα στη μάθηση και την επίλυση εξισώσεων, και να εκτελούν πράξεις μήτρας σε συντομότερο χρόνο και να έχουν μια οπτική αναπαράστασή του. Είναι επίσης μια ευκαιρία για τους μαθητές-μαθητευόμενους να αποκτήσουν υπολογιστική εμπειρία και να ελέγξουν τα αποτελέσματά τους με τα λογισμικά. Προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της ηλεκτρονικής μάθησης, έχουμε προτείνει μια μεθοδολογία που ονομάζεται ELUAT (E-learning Usability Attributes Testing) και ως όργανο μέτρησης την τεχνική επιθεώρησης PET (προκαθορισμένες εργασίες αξιολόγησης). Διερευνά και διαμορφώνεται για να υποστηρίζει τη μάθηση βάσει προβλημάτων. και παρακείμενους πίνακες. Επίσης, το λογισμικό ελέγχει μερικές ιδιότητες μήτρας, όπως είναι το άνω ή το κάτω, ακούσιο, ορθογώνιο, συμμετρικό, ασύμμετρο και διαγώνιο. Το λογισμικό είναι σε θέση να λύσει ορίζοντες οποιουδήποτε εύρους με τον ίδιο αλγόριθμο. Ρίζα της συνάρτησης οι χρήστες μπορούν επίσης να βρουν τη ρίζα της μη γραμμικής συνάρτησης με μεθόδους που έμαθαν στο μάθημα αριθμητικής ανάλυσης στο ΣΕΕΕ. Αυτές οι μέθοδοι είναι η διχοτόμηση, η διατομή, η Newton-Raphson, η Regula Falsi, ο Stephensen και το Fixed Point. Λειτουργίες Το πιο δύσκολο μέρος του αναπτυγμένου συστήματος λογισμικού είναι η αξιολόγηση και η σχεδίαση του γραφήματος που δίνεται από έναν χρήστη σε μορφή κειμένου. Για αυτούς τους αλγόριθμους που είναι πολύ δύσκολο να οριστούν, χρησιμοποιήσαμε ένα πακέτο Delphi για την αξιολόγηση των συναρτήσεων. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η λύση λογισμικού που αναπτύχθηκε έχει εξελιχθεί ως ιδέα για να είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για μαθητές και άλλους που θέλουν να μάθουν μαθηματικές λειτουργίες διαφορετικών τύπων όπως σύστημα γραμμικών εξισώσεων, πίνακες, ορίζοντες, συναρτήσεις κ.λπ. Οι μαθητές παραπονέθηκαν για το περιεχόμενο μάθησης στο μάθημα Διακριτών Μαθηματικών που περιλαμβάνει επίλυση γραμμικών συστημάτων συστημάτων, εύρεση των ριζών μιας συνάρτησης, σχεδίαση και αξιολόγηση γραφικών της συνάρτησης και άλλες μαθηματικές πράξεις. Η άποψή τους ήταν ότι το περιεχόμενο εκμάθησης δεν ήταν αρκετό και αφιέρωναν πολύ χρόνο στην επίλυση και τον υπολογισμό μαθηματικών πράξεων όπως οι πράξεις μήτρας και συστήματος με υψηλότερο εύρος. Σημαίνει ότι πέρασαν πολύ χρόνο σε πράξεις που είναι από δεύτερο χέρι και είναι απλοί υπολογισμοί. Ως εκ τούτου, ξεκινήσαμε μια ερευνητική μελέτη για να σχεδιάσουμε και να δημιουργήσουμε λύσεις λογισμικού που θα ανταποκρίνονται σε αυτές τις απαιτήσεις. Το λογισμικό είχε οραματιστεί να παρέχει και να πληροί τις ακόλουθες απαιτήσεις: Σύστημα γραμμικής εξίσωσης το λογισμικό θα πρέπει να είναι σε θέση να λύνει το σύστημα ανεξάρτητα από τον αριθμό των άγνωστων μεταβλητών σε αυτό το σύστημα εξισώσεων. Οι πίνακες ως σημαντικό μέρος αυτών των μαθηματικών πεδίων είναι οι πίνακες. Οι λύσεις των συστημάτων γραμμικών εξισώσεων θα βασίζονται στις λύσεις των πινάκων. Οι κύριες πράξεις που θα υπολογίσει το λογισμικό είναι πρόσθεση, πολλαπλασιασμός, αφαίρεση, αντίστροφη μήτρας, μετατιθέμενος πίνακας, εύρεση των προσδιοριστικών τους, παραγοντοποίηση LU Ο Bekim Fetaji είναι με τη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Ilindenska bb, Tetovo, Μακεδονία, b.fetaji Ο Shefik Osmani συνεργάζεται με το κέντρο πληροφορικής-seeu, Ilindenska bb, Tetovo, Macedonia, 3 Η Majlinda Fetaji είναι στη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Ilindenska bb, Tetovo, Μακεδονία, 69 Εικ.. The Interactive e-learning mathematical interface. II. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ Εξετάσαμε τις επόμενες προσεγγίσεις μοντελοποίησης μάθησης: ) την προσανατολισμένη στο περιεχόμενο, ) την εργαλειοκεντρική προσέγγιση ή 3) την προσανατολισμένη στην εργασία προσέγγιση [5]. Αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε την προσέγγιση προσανατολισμένη στην εργασία. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν δοκιμές χρηστικότητας, ομάδες εστίασης και συνεντεύξεις με υποψήφιους χρήστες. Ο σκοπός της έρευνας που πραγματοποιήθηκε είναι προκειμένου: () να συλλέξει πληροφορίες και να αξιολογήσει τις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονικής μάθησης μεταξύ των ανθρώπινων παραγόντων και του αναπτυγμένου μέσου διδασκαλίας - τη λύση λογισμικού, (στρατηγικές παρέμβασης και περιεχόμενο), () να καθορίσει την απόσταση μεταξύ των δραστηριοτήτων του μαθητή και προκατασκευασμένα σενάρια. Η παρατηρούμενη διαδρομή ενός μαθητή έχει χρησιμοποιηθεί για να δώσει πληροφορίες ανατροφοδότησης σχετικά με την αποτελεσματική μάθηση. Στην προσέγγισή μας για τη λύση λογισμικού αποφασίσαμε να μοντελοποιηθούμε και να χρησιμοποιηθούν για Μάθηση βάσει Προβλημάτων. Στη Μάθηση με βάση το πρόβλημα, οι μαθητές σκέφτονται, ανακτούν πληροφορίες για τον εαυτό τους, αναζητούν νέες ιδέες και τις εφαρμόζουν χρησιμοποιώντας τη λύση λογισμικού.

173Λογισμικό Ηλεκτρονικής Εκμάθησης Λογισμικού Μηχανικής Λογισμικού Χρησιμοποιήσαμε τις γενικές αρχές και οδηγίες για την HCI σχετικά με το σχεδιασμό λογισμικού από το [9], και γενικές αρχές και οδηγίες για το σχεδιασμό εγγράφων και οδηγίες για την ηλεκτρονική τεκμηρίωση [3]. Όλες αυτές οι οδηγίες συμβουλεύτηκαν και εξετάστηκαν προσεκτικά κατά το σχεδιασμό του διαδραστικού μαθηματικού εργαλείου ηλεκτρονικής μάθησης. Προκειμένου η λύση λογισμικού να είναι επιτυχής θα πρέπει να αναπτυχθεί σε στενή διαβούλευση και επαφές και σχόλια με τους χρήστες. Στην περίπτωση της τεχνολογίας για την υποστήριξη της μάθησης, αυτό σημαίνει διαβούλευση τόσο με τους δασκάλους όσο και με τους μαθητές. Η φόρμα μήτρας περιέχει τρεις καρτέλες: Ιδιότητες, Λειτουργίες και LU. Ο χρήστης μπορεί να υπολογίσει την ιδιότητα του πίνακα με τις ακόλουθες ενέργειες: (Σημείωση: Ο πίνακας πρέπει να είναι τετράγωνος πίνακας για την εκτέλεση αυτών των πράξεων.) Εισαγάγετε τον αριθμό γραμμών και στηλών στα πλαίσια κειμένου (οι αριθμοί πρέπει να είναι θετικοί): ) Στο πλέγμα εισάγετε τις τιμές του πίνακα, ) Κάντε κλικ στο κουμπί Υπολογισμός, 3) Ως αποτέλεσμα, οι χρήστες θα λάβουν τον προσδιοριστή του πίνακα, του εύρους και των ιδιοτήτων με τη μορφή πλαισίων ελέγχου. Έλεγχος σημαίνει ότι ο πίνακας έχει αυτήν την ιδιότητα. Εικ. 4. Καρτέλα Ιδιότητες της Λειτουργίας Πίνακα Στην καρτέλα Λειτουργίες οι χρήστες μπορούν να υπολογίσουν λίγες πράξεις μήτρας, ως εξής: ) Εισαγάγετε γραμμές και στήλες του πρώτου πίνακα, ) Στο πλέγμα κάτω από τις τιμές εισαγωγής, 3) Στην αναπτυσσόμενη λίστα επιλέξτε την ενέργεια για εκτέλεση, 4) Εάν επιλεγεί η λειτουργία πρόσθεση, αφαίρεση ή πολλαπλασιασμός, εισάγετε τον αριθμό των γραμμών και στηλών του δεύτερου πίνακα, εισάγετε τις τιμές, 5) Κάντε κλικ στο κουμπί Λειτουργία Το αποτέλεσμα που θα δουν οι χρήστες στο πλέγμα αποτελεσμάτων, εξαρτάται από το επιλεγμένη ενέργεια. Στο στιγμιότυπο οθόνης υπάρχει ένα παράδειγμα αντίστροφης μήτρας. Στην παρακάτω καρτέλα μπορεί να υπολογιστεί η παραγοντοποίηση LU ως εξής: ) Ως είσοδος εδώ έχετε έναν πίνακα και εξάγετε δύο πίνακες, ) Εισαγάγετε τον αριθμό γραμμών και στηλών του πίνακα, 3) Εισαγάγετε τις τιμές στο πλέγμα, 4) Κάντε κλικ στο κουμπί Factorize. Ως αποτέλεσμα, οι χρήστες έχουν δύο πίνακες κάτω και ανώτερος πίνακας (Εικόνα 6.) Εικ. 5. Καρτέλα Λειτουργίες του Πίνακα Πράξεις Εικ. 6. Καρτέλα LU του Πίνακα Πράξεις Ρίζες Εξίσωσης - Διχοτόμηση Για να βρείτε τη ρίζα της εξίσωσης με τη μέθοδο των χρηστών Διχοτόμησης ακολουθεί τα εξής βήματα: ) Στο πλαίσιο κειμένου f(x) εισάγετε τη συνάρτηση, ) Εισαγάγετε Ανοχή, Τελικό Σημείο Α, Τελικό Σημείο Β και Βήματα, 3) Κάντε κλικ στο κουμπί Επίλυση. Το αποτέλεσμα εμφανίζεται στο πλέγμα. Για να δείτε το γράφημα αυτής της συνάρτησης, ο χρήστης θα πρέπει να κάνει κλικ στο κουμπί γραφήματος (Εικόνα 7). III. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΣΟΥ ΕΡΕΥΝΑΣ Η κύρια πρόκληση για τους ερευνητές της ηλεκτρονικής μάθησης είναι να αξιολογήσουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρονικής μάθησης. Για να γίνει αυτό, έχουμε προτείνει μια μεθοδολογία, που ονομάζεται ELUAT (E-learning Usability Attributes Testing), η οποία συνδυάζει μια τεχνική επιθεώρησης με τη δοκιμή χρήστη που βασίζεται σε 4 χαρακτηριστικά χρηστικότητας που έχουμε ορίσει. Τα χαρακτηριστικά χρηστικότητας που έχουμε ορίσει είναι: ) Χρόνος για μάθηση, ) Ταχύτητα απόδοσης. 3) Ποσοστό σφαλμάτων. 4) Υποκειμενική ικανοποίηση. Η μεθοδολογία e-learning είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική παρουσίαση της ηλεκτρονικής μάθησης. Η θεωρητική βάση είναι παιδαγωγικές αντιλήψεις που ορίζονται από το [6]: Μάθηση σύμφωνα με την κονστρουκτιβιστική προοπτική, χρηστικότητα του περιβάλλοντος ηλεκτρονικής μάθησης και έρευνα σχετικά με τις απόψεις των χρηστών. Βασίσαμε το όργανο μέτρησης στη χρήση προκαθορισμένων εργασιών αξιολόγησης (PET), οι οποίες περιγράφουν επακριβώς τις δραστηριότητες που πρέπει να εκτελεστούν κατά την επιθεώρηση με τη μορφή προκαθορισμένων εργασιών, μετρώντας χαρακτηριστικά ευχρηστίας που έχουν αξιολογηθεί προηγουμένως. Το ονομάσαμε τεχνική επιθεώρησης PET και χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική αξιολογήσαμε τα χαρακτηριστικά χρηστικότητας χρησιμοποιώντας εργασίες αξιολόγησης για ένα συγκεκριμένο σενάριο. Οι εργασίες αξιολόγησης σε αυτήν την τεχνική καθορίζονται σχεδιάζοντας διάφορα σενάρια χρήστη και επιλέγοντας τα σενάρια που περιλαμβάνουν τις περισσότερες επιλογές του λογισμικού. Αυτό το είδος προσέγγισης που χρησιμοποιεί αυτή την τεχνική έχει αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικό, απλό και χρήσιμο στον προσδιορισμό της απόστασης μεταξύ των δραστηριοτήτων του εκπαιδευόμενου και των προκατασκευασμένων σεναρίων σε πολλά ερευνητικά έργα που πραγματοποιήσαμε. Χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία ELUAT και την τεχνική επιθεώρησης PET, έχουμε συγκεντρώσει πληροφορίες σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανθρώπινων παραγόντων (στρατηγικές παρέμβασης και περιεχόμενο). Το σενάριο περιέχει τουλάχιστον μια συλλογή στοιχείων και μια μέθοδο. Τα συστατικά είναι ρόλοι, δραστηριότητες ή δομές δραστηριότητας, ποιος ρόλος κάνει τι (ποια δραστηριότητα) και ποια στιγμή καθορίζεται από τη μέθοδο που αποτελείται από ένα ή πολλά έργα που σχηματίζονται από μια σειρά πράξεων. Σε ένα περιβάλλον ηλεκτρονικής μάθησης, οι πληροφορίες που λαμβάνονται από τη δραστηριότητα του μαθητή περιέχουν μια συγκεκριμένη παιδαγωγική σημασιολογία. Η παρατηρούμενη διαδρομή 6

174Οι Bekim Fetaji, Shefik Osmani και Majlinda Fetaji ένας μαθητής έχει χρησιμοποιηθεί για να δώσει πληροφορίες ανατροφοδότησης σχετικά με το επίπεδο μάθησης και την αποτελεσματικότητά της. Εξετάσαμε τις επόμενες προσεγγίσεις μοντελοποίησης μάθησης: την προσανατολισμένη στο περιεχόμενο, την εργαλειοκεντρική και την προσανατολισμένη στην εργασία προσέγγιση, και επιλέξαμε την προσέγγιση προσανατολισμένη στην εργασία για την οποία αναπτύξαμε τη μεθοδολογία ώστε να ταιριάζει στις ιδιαιτερότητές μας. Εργασία ν# Χρόνος για: Ολοκλήρωση εργασίας Βοήθεια αναζήτησης Ανάκτηση από σφάλματα M S E R O H F * design. Κατά τη δοκιμή, η ψυχολογία είναι πολύ πιο σημαντική από την ορθολογική μηχανική της καλής αρχιτεκτονικής πληροφοριών, αν και είναι σαφώς επιθυμητό να κατανοήσουμε και τα δύο. V. ΣΥΛΛΟΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σύμφωνα με την έρευνα του [8] για τον έλεγχο ευχρηστίας 5 χρήστες είναι αρκετοί, ωστόσο έχουμε χρησιμοποιήσει χρήστες. Μετά το τεστ ευχρηστίας είχαμε συλλέξει δεδομένα από τους συμμετέχοντες που είχαμε, οι 5 από αυτούς ήταν ειδικοί ενώ οι άλλοι 5 αρχάριοι. Προκειμένου να χειριστούμε αυτά τα δεδομένα, χρησιμοποιήσαμε την τεχνική τριγωνοποίησης από το [3], όταν εξετάσαμε όλα τα δεδομένα ταυτόχρονα για να δούμε πώς τα διαφορετικά δεδομένα υποστηρίζουν το ένα το άλλο. Χρόνος για το σύνολο: Μάθετε: Εικ.. Φόρμα βάσει εργασιών τεχνικής επιθεώρησης PET Η τεχνική επιθεώρησης PET χρησιμοποιεί τις ακόλουθες μετρήσεις: M Σφάλμα μενού. R Επαναλάβετε την εργασία. F- Απογοητεύσεις. S Σφάλμα επιλογής. O Χρησιμοποιεί ηλεκτρονική Βοήθεια, E Άλλα σφάλματα, H - Κλήσεις βοήθειας, *-Υποκειμενική ικανοποίηση (5-πολύ υψηλή, 4-υψηλή, 3- μέσος όρος, -χαμηλή, -πολύ χαμηλή). Αυτή η μεθοδολογία και οι τεχνικές επιθεώρησης έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλά διαφορετικά ερευνητικά έργα και παρήγαγαν πολύτιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό των επόμενων μελετών και αποδείχθηκαν βιώσιμες μεθοδολογία και τεχνική. IV. ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Η διαδικασία δοκιμής χωρίζεται σε τρεις φάσεις [5]: σχεδιασμός, απόκτηση και εκτέλεση με αξιολόγηση. Ακολουθήσαμε αυτές τις οδηγίες. Η φάση σχεδιασμού παρέχει την ευκαιρία στον ελεγκτή να καθορίσει τι θα δοκιμάσει και πώς να το δοκιμάσει. Οι χρήστες καλούνται να εκτελούν εργασίες ενώ οι ειδικοί στη χρηστικότητα παρατηρούν και λαμβάνουν υπόψη τις ενέργειές τους. Η φάση απόκτησης είναι ο χρόνος κατά τον οποίο κατασκευάζεται το απαιτούμενο λογισμικό δοκιμών, ορίζονται και συλλέγονται σύνολα δεδομένων και γράφονται λεπτομερή σενάρια δοκιμών. Κατά τη φάση εκτέλεσης και αξιολόγησης εκτελούνται τα σενάρια δοκιμής και τα αποτελέσματα αυτής της εκτέλεσης αξιολογούνται για να καθοριστεί εάν το προϊόν πέρασε τη δοκιμή. Οι δύσκολες περιοχές που επαναλαμβάνονται μεταξύ πολλών συμμετεχόντων στο τεστ αποκαλύπτουν τομείς που πρέπει να μελετηθούν και να αλλάξουν από τους προγραμματιστές. Η δοκιμή χρήστη μπορεί συχνά να αποκαλύψει πολύ συγκεκριμένους τομείς που χρειάζονται βελτίωση, όπου οι ομάδες εστίασης και η ανάλυση εργασιών συχνά βρίσκουν πιο γενικούς τομείς που χρειάζονται βελτίωση. Το κύριο αποτέλεσμα της φάσης σχεδιασμού είναι ένα σύνολο λεπτομερών σχεδίων δοκιμής. Σε ένα έργο που έχει λειτουργικές απαιτήσεις που καθορίζονται από περιπτώσεις χρήσης, θα πρέπει να γράφεται ένα σχέδιο δοκιμής για κάθε περίπτωση χρήσης. Υπάρχουν μερικά πλεονεκτήματα σε αυτό. Δεδομένου ότι πολλοί διευθυντές προγραμματίζουν τη δραστηριότητα ανάπτυξης από την άποψη των περιπτώσεων χρήσης, η λειτουργικότητα που θα είναι διαθέσιμη για δοκιμή θα είναι αυξήσεις σε περιπτώσεις χρήσης. Αυτό διευκολύνει τον προσδιορισμό των σχεδίων δοκιμών που πρέπει να χρησιμοποιηθούν για μια συγκεκριμένη κατασκευή του συστήματος. Δεύτερον, αυτή η προσέγγιση βελτιώνει την ιχνηλασιμότητα από τις δοκιμαστικές περιπτώσεις πίσω στο μοντέλο απαιτήσεων, έτσι ώστε οι αλλαγές στις απαιτήσεις να μπορούν να αντιστοιχιστούν με αλλαγές στις δοκιμαστικές περιπτώσεις. Ο ειδικός/αναλυτής που συμμετέχει στο τεστ θα είναι σχεδόν σίγουρα ψυχολόγος συμπεριφοράς, με δεξιότητες γνωστικής ψυχολογίας (η διαδικασία μάθησης και κατανόησης) και γνώση της HCI (Αλληλεπίδραση Ανθρώπινου Υπολογιστή). Θα είναι επίσης ειδικός στη χρηστικότητα, αλλά είναι πιθανό ότι το υπόβαθρό τους θα είναι στην ψυχολογία και όχι στην τοποθεσία Εικ. 4. Τεχνική τριγωνοποίησης[3]. Πινακοποιήσαμε επίσης τα δεδομένα για τις μετρήσεις απόδοσης χρησιμοποιώντας τα επόμενα χαρακτηριστικά χρηστικότητας: χρόνος για μάθηση, ταχύτητα απόδοσης, ποσοστό σφαλμάτων, υποκειμενική ικανοποίηση και απογοήτευση και για τις δύο κατηγορίες χρηστών Ειδικοί και αρχάριοι. Παρακαλούμε δείτε το παράρτημα Ε για τα πινακοποιημένα φύλλα δεδομένων και τα αποτελέσματα. Ακολουθεί το πινακοποιημένο φύλλο δεδομένων για το χρόνο εκμάθησης και την ταχύτητα απόδοσης καθώς και τα μέτρα γενικών απαιτήσεων χρηστικότητας. Ευχρηστία Χαρακτηριστικό Χρόνος εκμάθησης Ταχύτητα απόδοσης Ποσοστό σφαλμάτων Υποκειμενική ικανοποίηση Όργανο μέτρησης Σενάριο Εργασίας Σενάριο Εργασίας Σενάριο Εργασίας Τιμή προς μέτρηση Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Αριθμός σφαλμάτων Βαθμός ικανοποίησης χρηστών Τρέχον επίπεδο μέσος όρος 34,7 δευτ. αποδεκτοί ss Προγραμματισμένο επίπεδο στόχου s s Καλύτερο δυνατό 9 s 8 s * αριθμός. Κλίμακα ικανοποίησης υποκειμένου: πολύ υψηλός υψηλός μέσος όρος χαμηλός πολύ χαμηλός Πίνακας. Απαιτήσεις χρηστικότητας για μαθητές VI. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η λύση λογισμικού ως νέα λύση συστήματος λειτουργεί πρακτικά και σωστά όπως ορίζεται στις προδιαγραφές της. Η εμπειρία που παρουσιάστηκε υποδηλώνει τα θετικά αποτελέσματα της χρήσης του διαδραστικού μαθηματικού εργαλείου ηλεκτρονικής μάθησης ως λύση λογισμικού μας. Τυχαία ανατεθειμένες ομάδες θεραπείας με εμπειρία και εργασία με τη λύση λογισμικού. 6

175Μηχανική Λογισμικού e-learning Μαθηματικό Λογισμικό Το συμπέρασμά μας σχετικά με τον πρώτο στόχο () να συλλέξουμε πληροφορίες και να αξιολογήσουμε το επίπεδο ηλεκτρονικής μάθησης και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανθρώπινων παραγόντων και του αναπτυγμένου μέσου διδασκαλίας - τη λύση λογισμικού. Οι αναλύσεις μας έδειξαν ότι η αλληλεπίδραση ηλεκτρονικής μάθησης που βασίζεται στην τεχνική PET είναι αρκετά υψηλή και η καμπύλη μάθησης είναι επίσης αρκετά υψηλή. Είναι προφανές ότι ο μαθητής-μαθητής βρίσκεται αντιμέτωπος με πολλές αποφάσεις και χρειάζεται προηγούμενη γνώση για να χρησιμοποιήσει το λογισμικό. Ωστόσο, η καμπύλη υψηλής μάθησης του συστήματος βασίζεται στην αλληλεπίδραση των μαθητών χωρίς προηγούμενες οδηγίες. Εάν το σύστημα διδάσκεται και καθοδηγείται πώς να χρησιμοποιείται στις τάξεις, τότε η καμπύλη μάθησης μπορεί να μειωθεί σημαντικά και επομένως το όφελος από τη χρήση του συστήματος ψυχρής λειτουργίας είναι πολύ υψηλότερο. Το συμπέρασμά μας σχετικά με τον δεύτερο στόχο () για τον προσδιορισμό της απόστασης μεταξύ των δραστηριοτήτων του εκπαιδευόμενου και των προκαθορισμένων σεναρίων, τις αναλύσεις της έρευνας ηλεκτρονικής μάθησης με βάση τη μεθοδολογία EULAT και την τεχνική PET καθώς και την ομάδα εστίασης, είδαμε, αποδείξαμε και καταλήξαμε στο εξής: Οι μαθητές ερμηνεύουν τις εμπειρίες τους σύμφωνα με τις δικές τους αντιλήψεις και κάνοντας αυτό κατασκευάζουν τη δική τους γνώση. Η ενεργή κατασκευή απαιτεί υψηλό επίπεδο ανεξαρτησίας και αυτοοργάνωσης. Η οικοδόμηση της γνώσης των μαθητών και η τελειοποίηση της ικανότητας να το κάνουν δεν γίνονται παθητικά και αυτόνομα. Η μάθηση βρίσκεται. Οι κοινωνικοί, παρακινητικοί και συναισθηματικοί συναφείς παράγοντες της μαθησιακής κατάστασης ελέγχουν αποφασιστικά τους τρόπους και τα μέσα της διαδικασίας μάθησης και διατήρησης καθώς και τη χρήση της γνώσης και των ικανοτήτων. Οι μαθητές επιτυγχάνουν καλύτερα αποτελέσματα και μαθαίνουν περισσότερα όταν μπορούν να αντικατοπτρίζουν αυτά που μαθαίνουν. Αυτό επιτυγχάνεται ιδιαίτερα χρησιμοποιώντας τη λύση λογισμικού που έχουμε αναπτύξει, όπου μπορούν να αντικατοπτρίζουν όσα έχουν μάθει στο παρελθόν, να τα συσχετίσουν με προηγούμενες εμπειρίες και να τα εφαρμόσουν πρακτικά χρησιμοποιώντας τη λύση λογισμικού. Γενικά το λογισμικό εκτιμάται πολύ και είναι ευπρόσδεκτο. Η ανάλυση αριθμητικών μεθόδων είναι πολύ σημαντική εργασία στα μαθηματικά γιατί παρουσιάζει τη γενική μελέτη μεθόδων επίλυσης πολύπλοκων προβλημάτων χρησιμοποιώντας τις βασικές πράξεις της αριθμητικής (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμό και διαίρεση). Η συμβολή αυτής της λύσης λογισμικού είναι ότι χρησιμοποιεί μια προσέγγιση λογισμικού για την επίλυση αριθμητικών προβλημάτων που διευκολύνει τη δουλειά των μαθητών που παρακολουθούν το μάθημα Αριθμητική Ανάλυση, καθώς τους δίνει την ευκαιρία να λύσουν εξισώσεις και να εκτελέσουν πράξεις μήτρας σε πολύ σύντομο χρόνο και να μάθουν πιο σε βάθος και πιο διεξοδικά τις διάφορες μαθηματικές πράξεις.. Η ταχύτητα ή ας πούμε ο αριθμός των βημάτων για την εύρεση λύσεων σε εξισώσεις με μία μεταβλητή θα εξαρτηθεί γρήγορα από το διάστημα ή τα αρχικά σημεία προσέγγισης. Αν επιλέξουμε πιο κοντινή προσέγγιση θα έχουμε ταχύτερα και ακριβέστερα αποτελέσματα. Ο λόγος για τον οποίο μπορούμε να πούμε ότι δεν υπάρχει καλύτερος αλγόριθμος ή δεν υπάρχει καλύτερη μέθοδος για κάθε περίπτωση, είναι απλώς επειδή ορισμένες από τις μεθόδους είναι πιο γρήγορες αλλά λιγότερο ακριβείς και άλλες είναι πιο αργές αλλά με μεγαλύτερη ακρίβεια. Το λογισμικό είναι εύκολο στη χρήση και απευθύνεται όχι μόνο σε φοιτητές πληροφορικής και μαθηματικών, αλλά και σε άλλους χρήστες που θέλουν να εκτελέσουν διαφορετικές μαθηματικές εργασίες που περιλαμβάνονται στο λογισμικό ή θέλουν απλώς να δοκιμάσουν τα αποτελέσματα που αποκτήθηκαν με το χέρι. Το αρχείο βοήθειας για τη χρήση της λύσης λογισμικού είναι μια άλλη ευκαιρία που απλοποιεί τη χρήση του λογισμικού καθώς και δίνει γενικές πληροφορίες για κάθε μέθοδο που χρησιμοποιείται στην εφαρμογή του, για όσους δεν έχουν καθόλου ή έχουν κάποιες γνώσεις σχετικά με την αριθμητική ανάλυση. Επειδή υπάρχει πάντα χώρος Για βελτίωση, η μελέτη πρέπει να κινείται με το χρόνο, με την έννοια ότι πρέπει να βελτιώνεται συνεχώς σε σχεδιασμό και λειτουργικότητα προκειμένου να ανταποκρίνεται στις νέες απαιτήσεις που επιβάλλει η νέα τεχνολογία. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Bieber, M., and Vitali, F.(997), Toward Support for Hypermedia on the World Wide Web. IEEE Computer, pp [] Campbell, C. (4), E-ffective Writing for E-Learning Environments, NY:Idea Group Publishing [3] Dumas, J. S., & Redish J. C. (999) A Practical Guide to Usability Testing αναθεωρημένη έκδοση , Pearson Education Limited, pp.55-6 [4] Helic, D. Krottmaier, H., Maurer, H., & Scerbakov, N. (5): Enabling Project-Based Learning in WBT Systems, In International Journal on E -Learning (IJEL), Vol. 4, Τεύχος 4, σελίδες , 5. [5] Elfriede, D. (4) Αποτελεσματική Δοκιμή Λογισμικού: 5 Ειδικοί Τρόποι για να Βελτιώσετε τις Δοκιμές σας, Addison-Wesley Pub Co [6] Klauser, F.; Schoop, Ε.; Gersdorf, R.; Jungmann, B. & Wirth, K. (4): The Construction of Complex Internet-Based Learning Environments in the field of Tension of Pedagogical and Technical Rationality, Research Report ImpulsEC, Osnabrück, 4. [7] Kuhn, D. (999 ). Ένα μοντέλο ανάπτυξης της κριτικής σκέψης. Εκπαιδευτική Έρευνα, 8(), 6-6, 46 [8] Nielsen, J. (). Σχεδιασμός χρηστικότητας Ιστού: Η πρακτική της απλότητας. New Riders Publishing, Indianapolis, ISBN X [9] Pressman, R. (5) Software Engineering: A practitioners approach 6 Ed McGraw-HILL, inc, pp.8-7 6

176Συνδυάζοντας το εικονικό περιβάλλον μάθησης και το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης για την ενίσχυση της ηλεκτρονικής μάθησης Majlinda Fetaji, Suzana Loskovska και Bekim Fetaji 3 Περίληψη Η έρευνα πραγματοποιήθηκε έχοντας υπόψη δύο υποθέσεις. Η πρώτη υπόθεση είναι ότι η ενσωμάτωση εικονικού περιβάλλοντος μάθησης (VLE) με τη μορφή διαδραστικού εργαλείου ηλεκτρονικής μάθησης και ολοκληρωμένου περιβάλλοντος ανάπτυξης (IDE) για προγραμματισμό σε γλώσσα Java θα συμβάλει στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ποιότητας στη μάθηση λόγω των βελτιωμένων γραφικών διεπαφή χρήστη και η πρακτική προσέγγιση. Οι εκπαιδευόμενοι μπορούν να εφαρμόσουν και να δοκιμάσουν αυτά που έμαθαν και να επεκτείνουν περαιτέρω τη μάθησή τους ταυτόχρονα. Η δεύτερη υπόθεση είναι ότι η σχεδιασμένη γραφική διεπαφή χρήστη του εικονικού μαθησιακού περιβάλλοντος θα συμβάλει στη διευκόλυνση της χρήσης του βελτιώνοντας τα αποτελέσματα της μαθησιακής διαδικασίας, αυξάνοντας την ικανοποίηση και την προσοχή του χρήστη κατά τη μάθηση που συνεπάγεται τη βελτίωση της συνολικής αποτελεσματικότητας του εκμάθησης προγραμματισμού σε Java . Στόχος της έρευνας ήταν να διερευνήσει ποιες είναι οι δυνατότητες βελτίωσης της εκμάθησης προγραμματισμού Java με τη δημιουργία ενός διαδραστικού εργαλείου ηλεκτρονικής μάθησης με βελτιωμένη γραφική διεπαφή χρήστη. Έχει πραγματοποιηθεί μια ανάλυση της παραδοσιακής μεθόδου εκμάθησης της γλώσσας προγραμματισμού και της προσέγγισης εικονικού περιβάλλοντος μάθησης. Εντοπίστηκαν ζητήματα και προτάθηκαν λύσεις και συστάσεις κατά την ανασκόπηση της τρέχουσας κατάστασης σε αυτούς τους τομείς. Εξετάστηκε η χρηστικότητα του δημιουργημένου εικονικού περιβάλλοντος, προκειμένου να αξιολογηθούν και να προταθούν λύσεις στα προβλήματα που εντοπίστηκαν. Τα αποτελέσματα της έρευνας είναι ένα διαδραστικό εργαλείο Java ως εικονικό περιβάλλον για την εκμάθηση και την εξάσκηση της γλώσσας προγραμματισμού Java. Παρέχει μια ολοκληρωμένη βοήθεια, που χρειάζονται οι μαθητές για να μάθουν τη γλώσσα Java χωρίς να τους εκθέτουν στην ανάγκη να εγκαταλείψουν το πλαίσιο εφαρμογής. Παρέχεται επίσης ένας επεξεργαστής με επιλογή μεταγλώττισης, επιλογή για εκτέλεση εφαρμογής Java ή applet και καταγραφή και επικύρωση των συντακτικών σφαλμάτων από την πλευρά του χρήστη. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε προωθήσει το περιβάλλον εκμάθησης Java ως αυτόνομο για την επίτευξη του στόχου του. I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω της ανάπτυξης της τεχνολογίας της πληροφορίας και της επικοινωνίας και του αυξανόμενου αντίκτυπου του Διαδικτύου, έχει επιτραπεί η πρόσβαση σε τεράστιο όγκο πληροφοριών παγκοσμίως. Αυτό προσφέρει νέες ευκαιρίες για απόκτηση γνώσης οποιαδήποτε στιγμή, οπουδήποτε, ανεξάρτητα από τους προηγούμενους περιορισμούς, χρόνο και τοποθεσία. Όλο και περισσότερες πληροφορίες σε καθημερινή βάση παρουσιάζονται σε ψηφιακή και πολυτροπική μορφή. Για να χρησιμοποιηθούν όλες αυτές οι πληροφορίες στη διαδικασία εκμάθησης, η Majlinda Fetaji είναι με τη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Ilindenska bb, Tetovo, Μακεδονία, Η Suzana Loskovska είναι με την Ηλεκτροτεχνική Σχολή, Κάρπος, Σκόπια, Μακεδονία, 3 Ο Bekim Fetaji συνεργάζεται με τη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Ilindenska bb, Tetovo, Macedonia, Δημιουργούνται και χρησιμοποιούνται 63 ηλεκτρονικά περιβάλλοντα. Ο αντίκτυπος αυτών των τεχνολογιών αντανακλάται στην αυξημένη χρήση συστημάτων ηλεκτρονικής μάθησης και εικονικών περιβαλλόντων ηλεκτρονικής μάθησης για μάθηση. Ωστόσο, υπάρχει ένας ορισμένος σκεπτικισμός σχετικά με την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρονικής μάθησης και των εικονικών περιβαλλόντων τελευταία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο έχουμε αναλύσει συστήματα ηλεκτρονικής μάθησης και εικονικά περιβάλλοντα ηλεκτρονικής μάθησης. Πιστεύουμε ότι πρέπει να διεξαχθεί περαιτέρω έρευνα για να σχεδιαστεί μια θεμελιωμένη θεωρία που θα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός καλού και αποτελεσματικού συστήματος μάθησης. II. ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ Με βάση τις εμπειρίες μας και των άλλων κολεγίων από άλλα ιδρύματα, που σχετίζονται με τη διδασκαλία αντικειμενοστρεφούς προγραμματισμού σε μια τάξη, συνάγεται το συμπέρασμα ότι η διδασκαλία και η μάθηση αντικειμενοστρεφούς προγραμματισμού είναι πολύ πιο εύκολη εάν ένα ηλεκτρονικό περιβάλλον και εάν χρησιμοποιηθούν νέες τεχνολογίες. Η εκμάθηση προγραμματισμού σε αντικειμενοστραφή γλώσσα είναι δύσκολη για τους αρχάριους στην παραδοσιακή μέθοδο της τάξης. Ο εκπαιδευτής πρέπει να μεταδώσει νέες ιδέες σχετικά με τις έννοιες προγραμματισμού, τη σύνταξη, τον εντοπισμό σφαλμάτων και τη δοκιμή ενός κώδικα που είναι πολύ δύσκολο. Η παραδοσιακή μέθοδος μάθησης είναι επικεντρωμένη στον εκπαιδευτή και εξαρτάται από τις μεθόδους που χρησιμοποιεί ο εκπαιδευτής. Η μέθοδος διδασκαλίας των διαλέξεων στο τραπέζι, ακόμη και η οπτική μορφή των διαλέξεων σε υπολογιστή, δεν είναι επαρκής. Για να κατακλύσουν όλα τα στοιχεία της διαδικασίας εκμάθησης προγραμματισμού, κάθε στοιχείο πρέπει να δοκιμαστεί πρακτικά. Η παραδοσιακή μέθοδος είναι περιορισμένη σε χρόνο, τόπο και χρονική διάρκεια της τάξης. Το ευρύ φάσμα του βιωματικού υπόβαθρου από αρχάριους έως προχωρημένους προγραμματιστές. Λόγω της ποικιλομορφίας στο επίπεδο γνώσεων και ικανοτήτων των μαθητών, ορισμένοι μπορεί να χρειαστεί να κάνουν αναθεώρηση στις διαλέξεις κάτι που είναι αδύνατο με τον παραδοσιακό τρόπο μάθησης. Η χρήση της πρακτικής προσέγγισης που σημαίνει ότι οι έννοιες που μαθαίνονται μπορούν να δοκιμαστούν και να εφαρμοστούν αμέσως, είναι επίσης αδύνατη με τον παραδοσιακό τρόπο μάθησης. Σε αυτή τη μέθοδο μάθησης, οι μαθητές είναι πιο παθητικοί, ενώ προσφέρουν στους ανθρώπους την ευκαιρία να είναι ενεργοί στη μαθησιακή διαδικασία μέσω της δόμησης του πλαισίου στο οποίο παρουσιάζονται τα προβλήματα ενθαρρύνει ένα πιο φυσικό στυλ μάθησης. Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες και να συμπληρωθούν τα μειονεκτήματα της παραδοσιακής μεθόδου εκμάθησης προγραμματισμού, σήμερα αναπτύσσονται νέες μέθοδοι χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρονικά περιβάλλοντα μάθησης και αναπτυσσόμενα περιβάλλοντα για πρακτική εφαρμογή. III. ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ ΜΑΘΗΣΗΣ Τα τελευταία χρόνια, η εκπαίδευση και η μάθηση και η διδασκαλία έχουν επηρεαστεί από την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας.

177Συνδυασμός Εικονικού Περιβάλλοντος Εκμάθησης και Περιβάλλοντος Ολοκληρωμένης Ανάπτυξης για Βελτίωση της ηλεκτρονικής μάθησης Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία μάθησης έχει αλλάξει προς πιο διαδραστικές δραστηριότητες μάθησης και αυθεντικές εμπειρίες σύμφωνα με []. Τα νέα περιβάλλοντα μάθησης είναι βελτιωμένα και υποστηριζόμενα από τεχνολογία και περιβάλλοντα βασισμένα σε υπολογιστή που ονομάζονται εικονικά περιβάλλοντα μάθησης. Το [] ορίζει τα εικονικά περιβάλλοντα μάθησης ως περιβάλλοντα που βασίζονται σε υπολογιστή που είναι σχετικά ανοιχτά συστήματα, που επιτρέπουν αλληλεπιδράσεις με άλλους συμμετέχοντες και πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσμα πόρων. Τέτοια περιβάλλοντα προωθούν το μοντέλο μάθησης οποιουδήποτε χρόνου/οποιουδήποτε τόπου που δεν είναι μόνο ένας διαφορετικός τρόπος παροχής γνώσης, αλλά και ένα ισχυρό μέσο δημιουργίας γνώσης. Αυτοί οι νέοι τρόποι έχουν δυνητικά ένα ευρύ φάσμα πλεονεκτημάτων σε σχέση με τα παραδοσιακά περιβάλλοντα (π.χ. ευκολία, ευελιξία, χαμηλότερο κόστος, νόμισμα υλικού, αυξημένη διατήρηση και υπέρβαση γεωγραφικών φραγμών) σύμφωνα με το [3]. Η εκμάθηση προγραμματισμού είναι δύσκολη. Για να βοηθήσουμε τους αρχάριους να μάθουν προγραμματισμό, εστιάσαμε την έρευνά μας στην ανάπτυξη ενός εικονικού περιβάλλοντος για τη διευκόλυνση της εκμάθησης προγραμματισμού με την έννοια της προσφοράς ενός ηλεκτρονικού περιβάλλοντος που θα πρέπει να καλύπτει όλες τις ανάγκες των χρηστών και να υπερβαίνει τα μειονεκτήματα της παραδοσιακής μεθόδου μάθησης. Συνήθως κατά την ανάπτυξη εικονικών περιβαλλόντων η παιδαγωγική πτυχή μένει πίσω χωρίς να λαμβάνεται υπόψη. Ως εκ τούτου, για να αναπτύξουμε ένα ποιοτικό εικονικό περιβάλλον ηλεκτρονικής μάθησης για την εκμάθηση Java, έχουμε επικεντρωθεί στην παιδαγωγική έννοια της λύσης ηλεκτρονικής μάθησης. Γίνεται έρευνα για το πώς να σχεδιάσετε μια ποιοτική ηλεκτρονική μάθηση. Σύμφωνα με το [4] για να σχεδιάσουμε τη λύση ηλεκτρονικής μάθησης, ακολουθήσαμε την προσέγγιση ότι ο σχεδιασμός και η χρήση της ηλεκτρονικής μάθησης πρέπει να βασίζεται σε μια προσέγγιση θεωρίας μάθησης. Προκειμένου να αναπτυχθεί η χρήση της ηλεκτρονικής μάθησης από παιδαγωγική άποψη, δεν αρκεί επομένως η μελέτη της υπάρχουσας πρακτικής. Αντίθετα, είναι απαραίτητο να έχουμε κατανόηση των θεωρητικών αρχών της μαθησιακής διαδικασίας και του ιδανικού μαθησιακού περιβάλλοντος [5]. Το μαθησιακό περιβάλλον είναι σημαντικό επειδή μοντελοποιεί τη διαδικασία μάθησης ενός συγκεκριμένου μαθήματος σε ένα τεχνολογικό μέσο, ​​επομένως πρέπει να μοντελοποιήσουμε ιδανικά τη μαθησιακή διαδικασία. Αυτή είναι η διεπαφή με την οποία αλληλεπιδρούν οι εκπαιδευόμενοι και λαμβάνουν χώρα οι μαθησιακές δραστηριότητες για την επίτευξη των μαθησιακών στόχων. Αυτό σημαίνει ότι ο σχεδιασμός της ηλεκτρονικής μάθησης δεν μπορεί να βασίζεται μόνο στην υπάρχουσα πρακτική, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη σχέση μεταξύ θεωρίας και πράξης για να διασφαλίσουμε ότι ο σχεδιασμός της πρακτικής βασίζεται στη θεωρία μάθησης. Αυτή η έννοια φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα - Θεωρητικά θεμελιωμένη αξιολόγηση της τεχνολογίας [] Ακολουθήσαμε αυτήν την έννοια ως παιδαγωγικό υπόβαθρο της λύσης μας ηλεκτρονικής μάθησης. Περιγράφει ότι οι διαφορετικές μαθησιακές δραστηριότητες που οδηγούνται στο μαθησιακό περιβάλλον υποστηρίζονται από τις τεχνολογίες ηλεκτρονικής μάθησης που αναφέρονται παραπάνω. Οι μαθησιακές αρχές διαμορφώνονται από τις μαθησιακές δραστηριότητες που πρέπει να γίνουν για να παραχθεί το μαθησιακό αποτέλεσμα. Οι μαθησιακές δραστηριότητες είναι ζωτικής σημασίας για τον καθορισμό των χαρακτηριστικών και των ικανοτήτων που πρέπει να υποστηρίξει το μαθησιακό περιβάλλον και υποστηρίζονται από την τεχνολογία. Σύμφωνα με την έννοια του γειωμένου σχεδιασμού στο [4] που ορίζεται ως η συστηματική εφαρμογή διαδικασιών και διαδικασιών που έχουν τις ρίζες τους στην καθιερωμένη θεωρία και την έρευνα στην ανθρώπινη μάθηση (σελ. ), η υλοποίηση των μαθησιακών δραστηριοτήτων βασίζεται στη θεωρία μάθησης και τη θεωρία της ανθρώπινης μάθησης. IV. ΥΙΟΘΕΤΗΣΗ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΗΣ ΕΝΝΟΙΑΣ Πιστεύουμε ότι οι γνωστικές και διανοητικές ικανότητες των μαθητών είναι ζωτικής σημασίας στη διαδικασία εκμάθησης προγραμματισμού σε μια αντικειμενοστραφή γλώσσα προγραμματισμού. Από την πολυετή διδακτική εμπειρία, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η εκμάθηση προγραμματισμού σε μια αντικειμενοστραφή γλώσσα προγραμματισμού είναι μια σύνθετη διαδικασία όπου η μαθησιακή προσέγγιση δεν είναι αυτεπαρκής. Για να υποστηρίξουμε τη γνωστική μάθηση στη διαδικασία εκμάθησης προγραμματισμού πιστεύουμε ότι θα πρέπει να επιτραπεί μια εποικοδομητική προσέγγιση δημιουργίας γνώσης. Πιστεύουμε ότι ο συνδυασμός των δύο προσεγγίσεων θα έδινε καλύτερο αποτέλεσμα στη διαδικασία της μάθησης. Το μοντέλο του αναπτυγμένου μαθησιακού περιβάλλοντος βασίζεται στις μαθησιακές δραστηριότητες που εξαρτώνται από τις γνωστικές και διανοητικές ικανότητες των μαθητών και τις ικανότητές τους να κατασκευάζουν ατομικά μια γνώση. Η παιδαγωγική ιδέα στο σχεδιασμό του εικονικού περιβάλλοντος ηλεκτρονικής μάθησης για την εκμάθηση Java βασίζεται στα εξής: Η λύση ηλεκτρονικής μάθησης για εκμάθηση γλώσσας προγραμματισμού Η Java βασίζεται στη γνωσιακή και εποικοδομητική θεωρία μάθησης όπου το μαθησιακό περιβάλλον αποτελείται από δομημένο μαθησιακό περιεχόμενο ενσωματωμένο ως ηλεκτρονική βοήθεια περιεχόμενο και περιβάλλον επεξεργασίας-ανάπτυξης που επιτρέπει τη δημιουργία και την εύρεση λύσεων σε προβλήματα, με την έννοια ότι δοκιμάζουν διαφορετικές έννοιες προγραμματισμού ενός δεδομένου παραδείγματος (στο περιεχόμενο βοήθειας) ή μιας που δημιουργείται από τον χρήστη. Η ανεξάρτητη εργασία των μαθητών υποστηρίζει τις ατομικές τους γνωστικές ικανότητες να αντιλαμβάνονται το μαθησιακό περιεχόμενο και να το επεξεργάζονται σε γνώση και στην ατομική και υποκειμενική κατασκευή της γνώσης. Η εργασία των μαθητών βασίζεται στην ανεξάρτητη εξερεύνηση του μαθησιακού περιεχομένου όπου μαθαίνουν και ακόμη περισσότερο στην κατασκευή των γνώσεών τους δοκιμάζοντας αυτά που έμαθαν και δημιουργώντας νέες λύσεις των παραδειγμάτων ή προβλημάτων ή νέων προβλημάτων. V. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΗ ΜΕΘΟΔΟ ΜΑΘΗΣΗΣ Το εικονικό περιβάλλον εκμάθησης για την εκμάθηση προγραμματισμού σε Java θα έχει ένα απλό GUI και θα είναι εύκολο στην κατανόηση και χρήση και θα διανέμεται για δωρεάν λήψη και το πιο σημαντικό είναι το σύστημα δεν χρειάζεται να εγκατασταθεί, πράγμα που σημαίνει ότι ελαχιστοποιούμε τις απαραίτητες απαιτήσεις για μια απλή εκτέλεση μιας εφαρμογής. Για να υποστηρίξουμε τους αρχάριους προγραμματιστές, το έργο μας παρέχει ένα σύνολο από ειδικά σχεδιασμένα εργαλεία. Περιλαμβάνει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας για την επεξεργασία προγραμμάτων και τη διαχείριση αρχείων, οπτικά εργαλεία για τη μεταγλώττιση και εκτέλεση του προγράμματος και περιεχόμενο βοήθειας που παρουσιάζονται όλα σε μια ενιαία διεπαφή χρήστη 64

178Majlinda Fetaji, Suzana Loskovska και Bekim Fetaji πλαίσιο. Αυτό επιτρέπει στους μαθητές να μετακινούνται από τη μια δραστηριότητα στην άλλη με ελαχιστοποιημένη προσπάθεια. Όλα αυτά παρέχουν τη μέγιστη υποστήριξη στους αρχάριους προγραμματιστές, καθώς η κατασκευή του προγράμματος μπορεί να πραγματοποιηθεί εξ ολοκλήρου μέσω της αλληλεπίδρασης μενού. Θα προσφέρει μόνο τις βασικές λειτουργίες που απαιτούνται για τη σύνταξη κώδικα Java. Αυτό θα επιτρέψει στους χρήστες να επικεντρωθούν στη γλωσσική δομή και στις αρχές της κωδικοποίησης. Το εικονικό περιβάλλον προσφέρει ένα αναπτυσσόμενο περιβάλλον που επιτρέπει την πρακτική προσέγγιση που βοηθά τους μαθητές να βελτιώσουν την ποιότητα στη μάθηση με μια αίσθηση άμεσης δοκιμής όσων έχουν μάθει. Ενώ το εκπαιδευτικό περιεχόμενο είναι ενσωματωμένο ως περιεχόμενο βοήθειας, συμπεριλαμβανομένων συνδέσμων προς εξωτερικές πηγές, περιεχόμενο πολυμέσων και ήχου και το avatar της Microsoft ως βοηθός στη μάθηση. Αυτό θα προσφέρει στους μαθητές να μάθουν και να δοκιμάσουν πρακτικά τις έννοιες προγραμματισμού, να αυτορυθμίσουν τη διαδικασία μάθησης και πότε και όπου θέλουν. Για να μάθουμε προγραμματισμό στην Java με την παραδοσιακή μέθοδο, χρησιμοποιήσαμε την παραδοσιακή μορφή διαλέξεων σε πίνακα ή παρουσιάσεις power point που μεταδόθηκαν από τον εκπαιδευτή και ήταν επικεντρωμένες στον εκπαιδευτή και δεν ήταν ευέλικτες από άποψη χρόνου και τόπου. Η συγγραφή, ο εντοπισμός σφαλμάτων και η δοκιμή ενός κώδικα ήταν πολύ δύσκολη, ενώ η δημιουργία ενός εκτελεστικού αντικειμένου ήταν αδύνατη με την έννοια ex-cathedra. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιήθηκε ένας απλός επεξεργαστής κειμένου για τη σύνταξη του κώδικα. Για τη μεταγλώττιση και εκτέλεση του κώδικα Java, χρησιμοποιήθηκε ο μεταγλωττιστής Sun Java - Javac γράφοντας μια αυστηρή συντακτική εντολή που ξεκίνησε ένα αυξημένο ποσοστό σφαλμάτων. Στον παρακάτω πίνακα δίνεται το αποτέλεσμα της σύγκρισης της εκμάθησης με τον προγραμματισμό σε Java με την παραδοσιακή μέθοδο και τη χρήση του αναπτυγμένου μαθησιακού περιβάλλοντος, ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα της χρήσης του αναπτυγμένου εικονικού περιβάλλοντος έναντι της παραδοσιακής μεθόδου εκμάθησης Java: Μεταβλητή Παραδοσιακή μέθοδος Εικονική μάθηση Περιβάλλον Java Διεξαγωγή μαθησιακών ρυθμών με ρυθμό εκπαιδευτή Ευελιξία εκμάθησης εκτός χρόνου και τόπου Αναθεώρηση του περιεχομένου αδύνατη πολλές φορές Χρονική διάρκεια περιορισμένη απεριόριστη της τάξης Συγγραφή, δοκιμή πολύ δύσκολη εύκολη και αποσφαλμάτωση Μεταγλώττιση και μεγάλος ρυθμός χαμηλού ρυθμού εκτέλεσης σφαλμάτων, λάθη εργασιών, σενάριο σεναρίου κώδικα εργασίας Εκπαιδευτική δραστηριότητα Παθητικό ενεργό Πίνακας. Παραδοσιακή μέθοδος έναντι εκμάθησης με VLE Java Μειονεκτήματα: Υπάρχουν ακόμη ορισμένα μειονεκτήματα της χρήσης του ανεπτυγμένου εικονικού περιβάλλοντος έναντι της παραδοσιακής μεθόδου εκμάθησης Java:. Η απόκτηση ορισμένων δεξιοτήτων και εννοιών προγραμματισμού εξαρτάται από την άμεση επαφή πρόσωπο με πρόσωπο με τον εκπαιδευτή. Οι αίθουσες διδασκαλίας δίνουν τη δυνατότητα να λαμβάνετε μια άμεση ανατροφοδότηση από τους εκπαιδευόμενους, κάτι που είναι πολύ σημαντικό στη διαδικασία της μάθησης. 3. Οι μαθητές που δεν μπορούν να μάθουν χωρίς βοήθεια βρίσκονται σε μειονεκτική θέση. Η εκπαίδευση πρόσωπο με πρόσωπο με έναν εκπαιδευτή οδηγεί σε μεγαλύτερη αλληλεπίδραση κατά τη διάρκεια της μάθησης όπου ο εκπαιδευόμενος μπορεί να αποκτήσει γνώσεις από τον εκπαιδευτή και αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερη επιτυχία VI. ΔΟΚΙΜΗ ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑΣ Πραγματοποιήσαμε δοκιμές ευχρηστίας με βάση τη μέτρηση απόδοσης για να ποσοτικοποιήσουμε τις απαιτήσεις χρηστικότητας όπως ο χρόνος για την ολοκλήρωση μιας εργασίας, ο χρόνος για μάθηση, το ποσοστό σφαλμάτων και η υποκειμενική ικανοποίηση που ορίζεται από το σενάριο εργασίας χρησιμοποιώντας το περιβάλλον παραδοσιακής μεθόδου και το αναπτυγμένο ενσωματωμένο εικονικό περιβάλλον Java. Επίσης, κάναμε μια αξιολόγηση με άμεση παρατήρηση των χρηστών ενώ εκτελούσαν διαφορετικές εργασίες χρησιμοποιώντας το περιβάλλον της παραδοσιακής μεθόδου και το ανεπτυγμένο ολοκληρωμένο εικονικό περιβάλλον, και παρατηρήθηκαν χρήστες από δύο διαφορετικές κατηγορίες. ένα. Τι αξιολογούμε; Όσον αφορά τη χρηστικότητα: λειτουργίες: μπορεί ο χρήστης να εκτελέσει τις απαιτούμενες εργασίες; χρόνος: εκτελούνται οι εργασίες σε εύλογο χρόνο; ικανοποίηση: είναι ο χρήστης ικανοποιημένος; Λάθη: κάνει πολλά λάθη ο χρήστης; σύγκριση, ιδίως με το εργαλείο διεπαφής που βασίζεται σε κείμενο. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε βασίστηκε σε ποιοτική έρευνα όπου μελετήσαμε τις σχέσεις μεταξύ των μεταβλητών της μελέτης και στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε διερευνητική έρευνα για την έρευνα των παραγόντων που επηρεάζουν το γραφικό περιβάλλον χρήστη και στη συνέχεια εποικοδομητική έρευνα για την κατασκευή της λύσης λογισμικού. Μπορούμε να δούμε τα αποτελέσματα της δοκιμής ευχρηστίας στα δύο χρησιμοποιούμενα περιβάλλοντα στους παρακάτω πίνακες: Πίνακας. Έρευνα ευχρηστίας για την Class- στην Παραδοσιακή μέθοδο και το αναπτυγμένο εικονικό περιβάλλον Χαρακτηριστικό χρήσης Χρόνος εκμάθησης Ταχύτητα απόδοσης Ποσοστό σφαλμάτων Υποκειμενική ικανοποίηση Όργανο μέτρησης Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Τιμή προς μέτρηση Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Αριθμός σφαλμάτων Βαθμός ικανοποίησης χρηστών Περιβάλλον παραδοσιακής μεθόδου Ενσωματωμένο εικονικό περιβάλλον * αριθμός. Κλίμακα ικανοποίησης υποκειμένου: πολύ υψηλός υψηλός μέσος όρος χαμηλός πολύ χαμηλός

179Συνδυάζοντας το εικονικό περιβάλλον μάθησης και το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης για τη βελτίωση του πίνακα ηλεκτρονικής μάθησης. Έρευνα ευχρηστίας για Class- στην παραδοσιακή μέθοδο και στο ανεπτυγμένο εικονικό περιβάλλον Χαρακτηριστικό χρήσης Χρόνος εκμάθησης Ταχύτητα απόδοσης Ποσοστό σφαλμάτων Υποκειμενική ικανοποίηση Όργανο μέτρησης Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Σενάριο εργασίας Τιμή προς μέτρηση Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Χρόνος ολοκλήρωσης εργασίας Αριθμός των σφαλμάτων Βαθμός ικανοποίησης χρηστών Παραδοσιακή μέθοδος environme nt Ενσωματωμένο εικονικό περιβάλλον * αριθμός. Κλίμακα ικανοποίησης υποκειμένου: πολύ υψηλός υψηλός μέσος όρος χαμηλός πολύ χαμηλός VII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Έχουμε δοκιμάσει τη βιωσιμότητα των μεταβλητών που επιλέχθηκαν για τη μελέτη του ανεπτυγμένου συστήματος ηλεκτρονικής μάθησης Java Editor. Παρήγαγε επίσης πολύτιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό των επόμενων μελετών. Τα συμπεράσματα μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: - Οι μεταβλητές παρέχουν τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά και αντικειμενικά και υποκειμενικά δεδομένα. Οι εμπειρίες που παρουσιάστηκαν υποδηλώνουν τα θετικά αποτελέσματα της χρήσης του Java Editor στη διδασκαλία/μάθηση στην τάξη. Σε αυτές τις τάξεις, οι τυχαία εκχωρημένες ομάδες θεραπείας βίωσαν τη μάθηση με τη βοήθεια του Java Editor με διαφορετικούς τρόπους και τα δεδομένα συλλέχθηκαν μέσω των εμπειριών και των ερωτηματολογίων της τάξης. Αυτά τα ερωτηματολόγια έδειξαν θετικές απόψεις και υψηλό βαθμό φιλικής προς τον χρήστη ενσωμάτωσης του ανεπτυγμένου εικονικού περιβάλλοντος. Χρησιμοποιώντας αυτό το είδος προσέγγισης με επίκεντρο τον χρήστη για τη δημιουργία της γραφικής διεπαφής χρήστη μας και τη συμμετοχή των χρηστών σε κάθε στάδιο της ανάπτυξης και της αξιολόγησης της διεπαφής, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι είχε ως αποτέλεσμα μια πολύ φιλική προς τον χρήστη γραφική διεπαφή χρήστη. Είναι πιο εύχρηστο, προσανατολισμένο στους χρήστες και σίγουρα θα χρησιμοποιηθεί στο μέλλον από την πλευρά τους σύμφωνα με το ποσοστό ικανοποίησης που συναντάται κατά τη δοκιμή ευχρηστίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας που αποκτήσαμε από την εμπειρική μελέτη και σε σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια των ίδιων τάξεων java όταν για τη μεταγλώττιση χρησιμοποιήθηκε η διεπαφή βασισμένη σε εντολές και για τη συγγραφή του κώδικα χρησιμοποιήθηκε το σημειωματάριο, η νέα αναπτυγμένη γραφική διεπαφή έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Το ανεπτυγμένο σύστημα γραφικής διεπαφής χρήστη είναι πιο εύκολο στη χρήση και έχει καλύτερο ρυθμό απόδοσης από τις διεπαφές που βασίζονται στη γραμμή εντολών κειμένου που συνήθως χρησιμοποιούνταν προηγουμένως σε τάξεις java για τη μεταγλώττιση του κώδικα java. Έχοντας επίσης όλα όσα χρειάζονται σε ένα μέρος, οι μαθητές δεν χρειάζεται να εγκαταλείψουν καθόλου το πλαίσιο εφαρμογής, ειδικά έχοντας τη βοήθεια του βοηθού πολυμέσων και εικονικών. Η επιλογή καταγραφής των συντακτικών σφαλμάτων ήταν επίσης ευπρόσδεκτη από τους χρήστες τόσο των ειδικών του τύπου όσο και των αρχαρίων. Σε μια προοπτική εκμάθησης μιας γλώσσας προγραμματισμού, γενικά, η χρήση ενός συστήματος γραφικής διεπαφής χρήστη είναι λιγότερο δαπανηρή και λιγότερο χρονοβόρα, έχει επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια στη διαδικασία γραφής του κώδικα, επίσης η μεταγλώττιση και η εκτέλεση του κώδικα είναι πολύ πιο εύκολη και γραμμική διαδικασία από τη χρήση της διεπαφής που βασίζεται στη γραμμή εντολών κειμένου. Οι χρήστες εμπλέκονται περισσότερο στη χρήση της οπτικής γραφικής διεπαφής και έχουν μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση από τους προηγούμενους χρήστες που χρησιμοποιούν τη διεπαφή κειμένου βάσει εντολών. Οι συστάσεις μας είναι να χρησιμοποιήσετε αυτό το είδος δομημένης προσέγγισης που περιγράφεται εδώ για την ανάπτυξη παρόμοιων γραφικών διεπαφών χρήστη χρησιμοποιώντας την προσέγγιση με επίκεντρο τον χρήστη που θα περιλαμβάνει τους χρήστες σε όλα τα στάδια ανάπτυξης της γραφικής διεπαφής. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Malone, P., Schryer, C. & Rossner-Merrill, V. (). Συνδυάζοντας εκπαιδευτικά μοντέλα και επιτρέποντας τεχνολογίες για την ενσωμάτωση βέλτιστων πρακτικών στον σχεδιασμό διδασκαλίας μαθημάτων. Στο P. Kommers & G. Richards (Eds.), Proceedings of World Conference on Educational Multimedia, Hypermedia and Telecommunications (pp ). Chesapeake, VA: AACE. [] Harmon, J. & Marquez-Zenkov, Κ. (3). Perpetual Pedagogy: A Critical Deficiency in Modelling Educational Technology to Pre- and In-Service Teachers. Στο C. Crawford, D. Willis, R. Carlsen, I. Gibson, K. McFerrin, J. Price & R. Weber (Eds.), Proceedings of Society for Information Technology and Teacher Education International Conference 3 (σελ ). Chesapeake, VA: AACE. [3] Ahmad R., & Ives B., (998) "Effectiveness of Virtual Learning Environments in Basic Skills Business Education: A Field Study in Progress.", με. Proceedings of the Nineteenth Annual International Conference on Information Systems (ICIS '98), Ελσίνκι, Φινλανδία, Δεκέμβριος 998. [4] Hannafin, M. J., Hannafin, K. M., Land, S. M. & Oliver, K (997).: Grounded Practice and the Design of Constructivist Learning Environments, Educational Technology Research and Development, 45(3), 997, p.-7. [5] Hannafin, M., Land, S. & Oliver, K. (999): Open Learning Environments: Foundations, Methods, and Models. Στο: Reigeluth, C. M. (Επιμ.). Instructional-design Theories and Models: A new paradigm of instructional theory, Volume II, 999, p Lawrence Erlbaum. 66

180Λογισμικό Ηλεκτρονικής μάθησης Ανάκτηση Πληροφοριών Μαθήματα Bekim Fetaji και Majlinda Fetaji Περίληψη Οι ερευνητικές μελέτες, οι πρακτικές δραστηριότητες έργων και οι εμπειρίες υλοποίησης του πραγματικού κόσμου επικεντρώθηκαν στο σχεδιασμό και τη δημιουργία συστήματος μαθημάτων ανάκτησης πληροφοριών. Ο στόχος της έρευνας ήταν προσανατολισμένος στη δημιουργία ενός συστήματος μαθημάτων που θα βασίζεται σε αξιολογημένα και αξιολογημένα αποτελέσματα ηλεκτρονικής μάθησης και προηγούμενες γνωστές έννοιες στους χρήστες. Στοχεύει στο επίπεδο γνώσης των υπολογιστών των χρηστών και παρέχει υψηλότερο επίπεδο πληροφοριών για το περιεχόμενο του μαθήματος και υποστήριξη για διαφορετικές μορφές αρχείων. Η κύρια εστίαση δόθηκε στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ηλεκτρονικής μάθησης και με βάση αυτά σχεδίασε το εκπαιδευτικό πρόγραμμα ανάκτησης πληροφοριών σε συμμόρφωση με τις θεωρίες μάθησης και τη διδακτική παιδαγωγική προσέγγιση. Η έρευνα προτείνει έναν νέο τρόπο αντιμετώπισης της διαδικασίας δημιουργίας εκπαιδευτικού λογισμικού ανάκτησης πληροφοριών ηλεκτρονικής μάθησης ενσωματώνοντας και αναλαμβάνοντας την προσέγγιση της μηχανικής λογισμικού που βασίζεται στα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μάθησης και λαμβάνοντας υπόψη θεωρίες μαθησιακής παιδαγωγικής προσέγγισης στην ανάπτυξή της. Επίσης, ο επιχειρησιακός στόχος που εκφράστηκε ως προτεραιότητα τέθηκε η αποδοτικότητα του κόστους ολόκληρου του συστήματος. Καταφέραμε να έχουμε υψηλό κόστος αποδοτικότητας, ελαχιστοποιώντας τη συντήρηση και την ανάγκη για εκπαίδευση, διατηρώντας την καμπύλη μάθησης επίπεδη. Με βάση την έρευνά μας και τα σχόλια των χρηστών, κατέληξε σε ένα σύστημα μαθημάτων που είναι οικονομικά αποδοτικό και πολύ χρησιμοποιήσιμο. Συνιστούμε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα σε τμήματα όπου το επίπεδο παιδείας υπολογιστών του προσωπικού είναι χαμηλό και δεν υπάρχουν οικονομικά μέσα για ένα εμπορικό σύστημα διαχείρισης μάθησης. Λέξεις-κλειδιά e-learning, μάθημα ανάκτησης πληροφοριών, εκπαίδευση I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα περισσότερα σύγχρονα πανεπιστήμια, τα εφαρμοζόμενα Συστήματα Διαχείρισης Μαθημάτων (CMS) στερούνται ανταπόκρισης του καλοσχεδιασμένου μοντέλου ως προς τις συγκεκριμένες ανάγκες του ιδρύματος. Συνήθως αυτά τα μοντέλα είναι περίπλοκα και απαιτούν πολλές πρόσθετες προσπάθειες από το προσωπικό και τους μαθητές τόσο για εκμάθηση όσο και για χρήση. Από την άλλη πλευρά, είναι δαπανηρή η συντήρηση και η υποστήριξη τους, ειδικά σε σύγκριση με το επίπεδο χρήσης τους. Μια απλή εφαρμογή ενός υπάρχοντος εμπορικού εργαλείου για Συστήματα Διαχείρισης Μαθημάτων (CMS) σε περιβάλλον χαμηλού ηλεκτρονικού γραμματισμού εκπαιδευτικών και ηλεκτρονικής κουλτούρας μαθητών, αργής αύξησης της διείσδυσης του Διαδικτύου, ανεπαρκούς και ανεπαρκούς εξοπλισμού πληροφορικής των Ανώτατων Εκπαιδευτικών Ιδρυμάτων (π. χώρες των Δυτικών Βαλκανίων και άλλες περιοχές του κόσμου με παρόμοια οικονομική οικονομία Ο Bekim Fetaji είναι με τη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνίας, Ilindenska bb, Tetovo, Μακεδονία, Η Majlinda Fetaji είναι με τη Σχολή Επιστημών της Επικοινωνίας and Technologies, Ilindenska bb, Tetovo, Macedonia, περιβάλλοντα), μπορούν να φέρουν μόνο προσομοιώσεις και όχι ουσία για τη βελτίωση των πραγματικών επιδόσεων της μαθησιακής διαδικασίας. Το προτεινόμενο μοντέλο σε αυτό το έργο βασίζεται στην επίτευξη των πολλών παραμέτρων: να είναι σε συμμόρφωση με τις θεωρίες μάθησης και να έχει διδακτική παιδαγωγική προσέγγιση, αποτελέσματα ηλεκτρονικής μάθησης, απλότητα στη χρήση-επίδραση σε χαμηλή καμπύλη μάθησης, ελαχιστοποίηση της συντήρησης και υποστήριξης σε προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή απόδοση κόστους. Θεωρήσαμε επίσης κρίσιμο και πολύ σημαντικό να αξιολογήσουμε και να εστιάσουμε στο επίπεδο παιδείας υπολογιστών, αλλά και των απόψεων και των ιδεών των εκπαιδευτών/καθηγητών σχετικά με τα πεδία τους (δηλαδή τις πρακτικές τους γνώσεις στην παράδοση φυσικά.) Η λύση μας ήταν να στοχεύσουμε ακαδημαϊκό προσωπικό παιδεία ηλεκτρονικών υπολογιστών τρέχον επίπεδο και υιοθετήθηκε σύμφωνα με τις απόψεις και τις ανάγκες τους ως υποψήφιοι χρήστες του συστήματος. Ο κύριος ερευνητικός μας στόχος ήταν να δημιουργήσουμε ένα σύστημα μαθημάτων ανάκτησης πληροφοριών το οποίο ονομάσαμε σύστημα Intranet Gateway που θα παρέχει υψηλότερη προσβασιμότητα στην πανεπιστημιούπολη και στην πανεπιστημιούπολη. Στόχος ήταν να αυξηθεί το επίπεδο προσβασιμότητας παρέχοντας πρόσθετες δυνατότητες και επιλογές ηλεκτρονικής μάθησης στους τελικούς χρήστες. Ο στόχος της ερευνητικής μελέτης τέθηκε στην εύρεση νέας και πιο αποτελεσματικής προσέγγισης στο σχεδιασμό και την οικοδόμηση ενός συστήματος διαχείρισης μαθημάτων που θα μιμηθεί την προσέγγιση του κλασικού εργαστηρίου περιεχομένου καθηγητή-τάξη-τάξη και θα το ανεβάσει στο συνολικό επίπεδο επικοινωνίας και προσβασιμότητας σε πληροφορίες και ηλεκτρονικό περιεχόμενο. II. ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Η μεθοδολογία της έρευνάς μας ήταν η θεμελιώδης έρευνα των αποτελεσμάτων ηλεκτρονικής μάθησης, των μεταβλητών και των ευρημάτων από τη θεμελιώδη προσέγγισή μας που χρησιμοποιήσαμε στην εφαρμοσμένη μας έρευνα στη συνέχεια βασισμένη σε διερευνητική και εποικοδομητική έρευνα σε διάφορες μεθοδολογίες ανάπτυξης υπερμέσων. Μια εφαρμογή υπερμέσων αντιπροσωπεύει μια συλλογή αδόμητων και πολυμέσων κόμβων που συνδέονται μέσω συνδέσμων με συσχετιστικό τρόπο. Δεδομένου ότι τα συστήματα υπερμέσων είναι εξαιρετικά διαδραστικά, η μέθοδος σχεδίασης πρέπει να επικεντρώνεται στο χρήστη. Ωστόσο, έχουμε χρησιμοποιήσει έναν υβριδικό συνδυασμό και διαφορετικούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης ρίχνουν ενεργά x controls και το υπερ-έγγραφο είναι πραγματικά προσβάσιμο σε χρόνο εκτέλεσης από την πλευρά του χρήστη, ενώ από διαχειριστική άποψη ορίζεται ως αρχείο σε απομακρυσμένο διακομιστή. Σε όλα τα στάδια του σχεδιασμού και της ανάπτυξης, η δημιουργία πρωτοτύπων και η αξιολόγηση ήταν οι βασικές δραστηριότητες στη διαδικασία ανάπτυξης. Τα δεδομένα για αυτήν την έρευνα συγκεντρώθηκαν από ερευνητικές συνεντεύξεις με ειδικούς και συμμετέχοντες στην ηλεκτρονική μάθηση, ομάδες εστίασης και συνεντεύξεις, καθώς και από διαδικτυακές έρευνες και έντυπες έρευνες με ακαδημαϊκό προσωπικό και φοιτητές. Οι βασικές μεταβλητές και τα θέματα που έχουν μελετηθεί είναι: αξιολόγηση και μέτρηση των αποτελεσμάτων ηλεκτρονικής μάθησης, οι μαθητές χρειάζονται 67

181Λογισμικό Ηλεκτρονικής μάθησης Ανάκτηση Πληροφοριών Αναλύσεις μαθημάτων, περιβάλλον χρήσης αναλύσεις σκοπιμότητας που ενσωματώνουν ιδιαιτερότητες πολυπολιτισμικότητας και πολυγλωσσίας, ιδιαιτερότητες και απαιτήσεις εφαρμογών σε συσχετισμό με το περιβάλλον και την κατάσταση του Πανεπιστημίου και στη συνέχεια γενικεύονται σε όλα τα σύγχρονα Πανεπιστήμια, προσβασιμότητα και ιδιαιτερότητες μάθησης με βάση δοκιμές χρηστικότητας και αξιολόγηση του περιβάλλοντος. Λαμβάνοντας υπόψη την προσέγγιση της μεθοδολογίας ανάπτυξης λογισμικού, χρησιμοποιήσαμε τον κύκλο ζωής ανάπτυξης λογισμικού σπειροειδών, τη δημιουργία πρωτοτύπων, τη χρηστικότητα που εκφράζεται σε μήτρα και τη δοκιμή ευχρηστίας. και συγχρονική έρευνα με χρήση ερωτηματολόγων, προκειμένου να βρεθούν και να ληφθούν τα σχόλια από τους χρήστες του συστήματος σύμφωνα με τις οδηγίες του [6]. III. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΩΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Η αποστολή της εφαρμογής καθορίζεται με τον εντοπισμό υποψηφίων χρηστών και τον καθορισμό της φύσης της βάσης πληροφοριών. Επίσης, ο εντοπισμός και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ηλεκτρονικής μάθησης τίθεται ως πρωταρχικός στόχος. Εκτός από τις συνήθεις εργασίες συλλογής απαιτήσεων και αξιολόγησης σκοπιμότητας, οι εφαρμογές Ιστού που έχουν σχεδιαστεί για καθολική πρόσβαση απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή στον προσδιορισμό των απαιτήσεων αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή. Προκειμένου να δημιουργηθεί η καταλληλότερη λειτουργία αλληλεπίδρασης για κάθε αναμενόμενη κατηγορία χρηστών και για κάθε τύπο συσκευής εξόδου που αναμένεται να χρησιμοποιήσουν οι χρήστες για να συνδεθούν με την εφαρμογή με βάση τις συστάσεις του [3]. Μιλώντας σε υποψήφιους χρήστες και ερευνητικές συνεντεύξεις με ειδικούς και συμμετέχοντες στην ηλεκτρονική μάθηση, ομάδες εστίασης αξιολογήσαμε και καθορίσαμε το επίπεδο υπολογιστικής παιδείας των χρηστών μας. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι σχεδόν όλοι είχαν γνώση βασικών εντολών του λειτουργικού συστήματος, ανοίγματος, δημιουργίας, αλλαγής και διαγραφής φακέλων και γνωρίζουν τις κοινές λειτουργίες με τη χρήση αρχείων, καθώς και όλοι γνωρίζουν το MS Word και το σημειωματάριο. Όλοι γνώριζαν άλλες μορφές αρχείων όπως: φορητό έγγραφο της Adobe (pdf) και μορφή αρχείου βοήθειας των Windows (chm). Αυτό το αξιολογημένο επίπεδο γνώσης ορίστηκε ως στόχος μας και το λογισμικό μας κατασκευάστηκε για να στοχεύει αυτό το επίπεδο γνώσης και να χρησιμοποιεί μόνο αυτές τις λειτουργίες καθώς και να τις ενσωματώνει στη λύση λογισμικού μας για το εκπαιδευτικό λογισμικό. Όσον αφορά την εννοιολόγηση, η εφαρμογή αναπαρίσταται μέσω ενός συνόλου αφηρημένων μοντέλων που μεταφέρουν τα κύρια συστατικά της προβλεπόμενης λύσης. Στο πλαίσιο του Ιστού, η εννοιολόγηση επικεντρώνεται στην αποτύπωση αντικειμένων και σχέσεων όπως θα φαίνονται στους χρήστες και όχι όπως θα αναπαρασταθούν μέσα στο σύστημα λογισμικού. Στην προσέγγισή μας στη δημιουργία της πύλης Intranet δημιουργήσαμε έναν Δημόσιο Φάκελο σε έναν απομακρυσμένο διακομιστή όπου μπορεί να τοποθετηθεί ολόκληρο το περιεχόμενο του περιεχομένου των μαθημάτων και το θεματικό υλικό. Εννοιολογικά έχουμε οργανώσει τους φακέλους ώστε να περιέχουν όλα τα αρχεία μέσα τους και έναν επιπλέον φάκελο που θα ρυθμιστεί για τις ανάγκες της ιστοσελίδας. Ο λέκτορας ενός συγκεκριμένου θέματος και οι βοηθοί του έχουν διαχειριστικά προνόμια και τους επιτρέπεται να έχουν πρόσβαση στον φάκελο του θέματος στον απομακρυσμένο φάκελο, όπου μπορούν να προσθέτουν, αλλάζουν, διαγράφουν, γράφουν ή διαβάζουν πληροφορίες, αλλάζουν και διαχειρίζονται το περιεχόμενο. Οι μαθητές δεν επιτρέπεται να έχουν πρόσβαση σε αυτούς τους φακέλους. Θα έχουν πρόσβαση στο περιεχόμενο από μια διεπαφή ιστού. Για την παροχή μιας επίσημης σχεδίασης διεπαφής χρήστη, έχει χρησιμοποιηθεί η ιδέα του πλαισίου. IV. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κατά την ανάπτυξη του συστήματος Intranet Gateway προσεγγίσαμε χρησιμοποιώντας το μοντέλο κύκλου ζωής σπειροειδών και ακολουθήσαμε τις αρχές χρηστικότητας που συνιστώνται από [] και [5]. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΤΟΧΩΝ, ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΩΝ, ΣΧΕΔΙΟ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΩΝ p Εναλλακτικές 4 Εναλλακτικές Σχέδιο δοκιμών 3 Περιορισμοί 4 Εναλλακτικοί Περιορισμοί 3 Περιορισμοί Εναλλακτικές εκκίνηση Απαιτήσεις, σχέδιο κύκλου ζωής Σχέδιο υλοποίησης Σχέδιο υλοποίησης Ανάλυση κινδύνου 4 Αναλύσεις κινδύνου είναι τυποποιημένες αναλύσεις Έννοια της λειτουργίας Επικυρωμένες απαιτήσεις Απαιτήσεις λογισμικού Επικυρωμένη, επαληθευμένη σχεδίαση ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΚΙΝΔΥΝΩΝ Πρωτότυπο 3 Σχεδιασμός λογισμικού Κωδικός Πρωτότυπο 4 Λεπτομέρεια σχεδίαση Δοκιμή μονάδας Σύστημα Δοκιμή δοκιμής αποδοχής ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΗΣ Εικόνα. The Spiral Method, [6] Ως πλατφόρμα χρησιμοποιήσαμε Microsoft Active Server Pages- ASP. Η σπειροειδής μεθοδολογία αντικατοπτρίζει τη σχέση των εργασιών με την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων, τον αυξημένο παραλληλισμό και τον ταυτόχρονο σχεδιασμό και την κατασκευή δραστηριοτήτων. Η σπειροειδής μέθοδος θα πρέπει ακόμα να σχεδιάζεται μεθοδικά, με εργασίες και παραδοτέα να προσδιορίζονται για κάθε βήμα στον κύκλο ζωής ανάπτυξης λογισμικού σπειροειδούς (Εικόνα ). Εικόνα. Σύστημα μαθημάτων Intranet Gateway Υλικό περιεχομένου τάξης Ένα σημαντικό ζήτημα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ήταν η εισαγωγή ολόκληρου του περιεχομένου από τον απομακρυσμένο φάκελο Δημόσιο και τίποτα να μην κωδικοποιηθεί ως περιεχόμενο. Εικόνα. 3 Σύστημα μαθημάτων Intranet Gateway Μηχανισμός παράδοσης 68

182Bekim Fetaji και Majlinda Fetaji Αυτό καθιστά πολύ εύκολη τη συντήρηση και τη διαχείριση περιεχομένου. Ολόκληρο το περιεχόμενο φορτώνεται στο πρόγραμμα περιήγησης τη στιγμή της πρόσβασης στο απαιτούμενο θέμα, ρίχνει τη διεπαφή που βασίζεται στον ιστό και ο διαχειριστής του μαθήματος-λέκτορας και οι βοηθοί που ασχολούνται με το θέμα δεν περιορίζονται και μπορούν να προσφέρουν περιεχόμενο σε διαφορετικές μορφές όπως έγγραφα Word, αρχεία Adobe pdf , μορφή MS chm και όλες οι άλλες διαθέσιμες τυπικές μορφές για παρουσίαση περιεχομένου. Αυτό πραγματοποιείται ρίψη χρησιμοποιώντας τα στοιχεία ελέγχου MS Active X. Ο διαχειριστής του μαθήματος απλώς χρησιμοποιώντας λειτουργίες αντιγραφής παρελθόντος τοποθετεί το περιεχόμενο στον φάκελο από όπου έχουν πρόσβαση οι μαθητές. Επίσης το περιεχόμενο δείχνει τα χαρακτηριστικά όταν δημιουργήθηκε και τροποποιήθηκε καθώς και το μέγεθός του μαζί με ένα εικονίδιο και περιγραφή της μορφής του. Καθορίζοντας τις αρχικές απαιτήσεις χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο πριν κατασκευάσουμε το πρώτο μας πρωτότυπο, πρώτα προβλέψαμε όλες τις απαιτήσεις και δημιουργήσαμε ένα χρονοδιάγραμμα διαχείρισης έργου που θα περιλάμβανε όλες τις αναμενόμενες δραστηριότητες όπως λεπτομερή σχεδιασμό, αναλύσεις αναγκών, φάση ανάπτυξης, δοκιμή της μονάδας, ενοποίηση και δοκιμή. αξιολόγηση και εφαρμογή. Πίνακας : Δραστηριότητες ανάλυσης εργασιών με εξαρτήσεις, διάρκεια, απαισιόδοξο (PT) και αισιόδοξο χρόνο (OT) Η ομάδα διαχείρισης του έργου παρουσίασε 3 δραστηριότητες ανάλυσης εργασιών για το έργο Gateway. Στη συνέχεια, με βάση τις δραστηριότητές μας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Critical Path- CPM σε συνδυασμό με το PERT (τεχνική αξιολόγησης και αναθεώρησης προγράμματος) έχουμε ορίσει τις κρίσιμες δραστηριότητες και τον χρόνο παράδοσης (χρόνος που μπορεί να παραδοθεί το έργο) που υπολογίστηκε σε 5 εβδομάδες , και έχουμε κάνει επίσης τις αναλύσεις κινδύνου του συστήματος, αναλύοντας όλους τους πιθανούς κινδύνους. Το έργο είχε δύο κρίσιμες διαδρομές (CP) μεταξύ των δραστηριοτήτων: CP: και το δεύτερο κρίσιμο μονοπάτι μεταξύ των επόμενων δραστηριοτήτων CP: Το σύστημα αξιολογούνταν συνεχώς σε όλα τα στάδια κριτικά πρώτα από την ομάδα ανάπτυξης κατά τη διάρκεια των συνεδριάσεων και μετά από τους χρήστες . Σημαντικό θέμα που εξετάστηκε ιδιαίτερα ήταν οι επιλογές ειδήσεων και ανακοινώσεων. Με βάση τις συνεντεύξεις με φοιτητές και καθηγητές, συνήχθη το συμπέρασμα ότι οι φοιτητές πολύ σπάνια έχουν πρόσβαση σε ανακοινώσεις και να διαβάζουν ειδήσεις σχετικά με το Πανεπιστήμιο, τη Σχολή και το αντικείμενο. Για να λύσουμε αυτό το ζήτημα, έχουμε εφαρμόσει κείμενο κύλισης ειδήσεων που αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας JavaScript, το οποίο σύμφωνα με την έρευνά μας εκτιμήθηκε ιδιαίτερα. Όλο το περιεχόμενο των ειδήσεων και της ανακοίνωσης θα μεταφορτωθεί από ένα απλό αρχείο κειμένου και θα εμφανίζεται σε κάθε σελίδα θέματος στο αριστερό κάτω μέρος της οθόνης. Το περιεχόμενο του μενού και οι σύνδεσμοι βασίζονται σε μια έρευνα θεμελιωμένης θεωρίας που περιελάμβανε πολλές συγκριτικές αναλύσεις συστημάτων διαχείρισης μαθημάτων και συστημάτων μαθημάτων που βασίζονται στον ιστό, καθώς και στις εμπειρίες και τις έρευνες μας σχετικά με τις αναλύσεις των αναγκών των χρηστών. Ακολουθώντας τις οδηγίες από το [4], η διεπαφή είναι σαφής και η δομή πλοήγησης επισημαίνεται με σαφήνεια χρησιμοποιώντας ψίχουλα, επιτρέποντας στον χρήστη να προσανατολίζεται σε κάθε σημείο σχετικά με τη θέση του στην ιεραρχία της δομής περιεχομένου. Επίσης παρέχεται μια σαφής έξοδος ή συντόμευση στις άλλες κύριες ομάδες περιεχομένου, ώστε ο χρήστης να μπορεί εύκολα να πλοηγηθεί ανάλογα με τις προτιμήσεις και τις ανάγκες του τηρώντας τις οδηγίες πλοήγησης και όχι τόσο την αισθητική προοπτική της διεπαφής. Η αισθητική μπορεί να αντιμετωπιστεί αργότερα και πρέπει να θυσιαστεί για την προσβασιμότητα, τη διαθεσιμότητα περιεχομένου και τη συνολική λειτουργικότητα, καθώς δεν αποτελεί προτεραιότητα για ένα τέτοιο σύστημα υπό ανάπτυξη. V. ΘΕΜΑΤΑ ΚΑΙ ΛΥΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Η λειτουργικότητα αφορά τόσο τις εκπαιδευτικές δραστηριότητες όσο και τις δραστηριότητες πλοήγησης, όπως η μετακίνηση μέσω αντικειμένων υπερμέσων και η περιήγηση σε μεγάλες δομές πολυμέσων []. Τα θέματα εκπαίδευσης περιορίστηκαν στο ελάχιστο καθώς ήταν ένας από τους κύριους στόχους στο σχεδιασμό του έργου. Το κύριο ζήτημα ήταν να αναπτυχθεί ένα διαδραστικό σύστημα που θα υποστήριζε αποτελεσματικά και αποτελεσματικά τη λειτουργικότητα των χρηστών, αξιοποιώντας τις νέες υποδομές που είναι διαθέσιμες αυτήν τη στιγμή. Όλοι οι χρήστες καλούνται να χρησιμοποιήσουν ένα σύστημα που είναι ήδη εξοικειωμένο και βασίζεται σε ήδη χρησιμοποιημένες έννοιες και τεχνικές που γνωρίζουν ήδη πώς να χρησιμοποιούν τα δημόσια αρχεία. Οι πληροφορίες που παρέχονται από το σύστημα παρουσιάζονται με διάφορους τρόπους, όπως διαδραστικές προσομοιώσεις που καταδεικνύουν τη χρήση διαφόρων εργαλείων του Διαδικτύου, υπερκείμενο, ειδικούς ήχους, κατάλληλες εικόνες και κινούμενα σχέδια, αντικείμενο υπερμέσων κ.λπ. VI. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Ως αποτέλεσμα του έργου έχουμε προβλέψει διαφορετικά αποτελέσματα, ορισμένες θετικές και μερικές αρνητικές πτυχές. Προκειμένου να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα της διδασκαλίας/μάθησης που διαχειρίζεται το Intranet, τη βασίσαμε στα ερωτηματολόγια δοκιμής χρηστικότητας και αξιολόγησης που χρησιμοποιήσαμε ως εργαλείο για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Το ερωτηματολόγιο επικεντρώθηκε στον προσδιορισμό του επιπέδου περιεχομένου και τις συγκρίσεις μεταξύ της παλαιάς διδασκαλίας και της προσέγγισης new-intranet. Επίσης, ανάλυση του μέσου όρου του βαθμού (σύγκριση) των μαθητών που παρακολούθησαν κλασικά μαθήματα και αυτών που χρησιμοποιούν πύλη Intranet γίνεται στον παρακάτω πίνακα για τα θέματα Εφαρμογή Υπολογιστών στις Επικοινωνίες και CAC και ; Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός σε Java (OOPJ), Σχεδιασμός Ιστού και Πολυμέσα (WDM). Είναι πολύ δύσκολο να συμπεράνουμε ότι αυτή η βελτίωση στις επιδόσεις της επιτυχίας των μαθητών οφείλεται μόνο στον αντίκτυπο της πύλης Intranet, επειδή και άλλοι παράγοντες μπορούν να την επηρεάσουν (π.χ. Μεθοδολογία διδασκαλίας, η αξιολογική εκπαιδευτική πτυχή της επόμενης γενιάς μαθητών εξ ορισμού για το σκοπό κ.λπ.), αλλά η αντίληψη ότι ο κύριος παράγοντας βελτίωσης ήταν αυτό το νέο Σύστημα Διαχείρισης Μαθημάτων μέσω Intranet μετά την ανάλυση του ερωτηματολογίου είναι αλήθεια. 69

183Ηλεκτρονική μάθηση Πληροφοριών Μηχανικής Λογισμικού Ανάκτηση Μαθημάτων Θέμα GPA πριν από τη χρήση Intranet Βελτιώσεις GPA μετά τη χρήση CAC 6,85 7,4 CAC 6, 6,7 OOPJ 6,7 6,95 WDM Αξιολόγηση GPA μαθητή πριν από τη χρήση Intranet Βελτιώσεις GPA μετά τη χρήση CAC CAC OOPJ WDM Πίνακας.. Βαθμολογία αξιολόγησης μέσος όρος ΣΔΣ φοιτητή Η πύλη Intranet εφαρμόστηκε για τα μαθήματα της Σχολής Επιστημών και Τεχνολογιών Επικοινωνιών (CST) - Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών (CSD) του ΣΕΕΕ. Με βάση τις παρατηρήσεις και τα όργανα μέτρησης, τα αποτελέσματα είναι τα εξής: Θετικά αποτελέσματα:. Με τη χρήση του Intranet, οι τρεις κατηγορίες έγιναν πιο αποτελεσματικές. Σε σύγκριση με τα έργα των προηγούμενων ετών, η ποιότητα των εργασιών τεχνολογίας βελτιώθηκε, ιδιαίτερα η ποιότητα των σχεδίων πολυμέσων και των σχεδίων οδηγιών που βασίζονται στο Web. Ορισμένα από τα έργα έδειξαν ότι οι μαθητές πέτυχαν περισσότερα από ό,τι περίμεναν, και ακόμη περισσότερα από τους αναφερόμενους στόχους του μαθήματος, επειδή είχαν περισσότερες ευκαιρίες και χρόνο να εξερευνήσουν τις τεχνολογίες και να βελτιώσουν τη μάθηση μέσω της ομαδικής συνεργασίας. Η προσβασιμότητα αυξήθηκε σημαντικά. Οι μαθητές είχαν πλέον περισσότερη πρόσβαση σε υλικό και ανατροφοδότηση. 3. Τα κίνητρα των μαθητών με τη χρήση του συστήματος αυξήθηκαν επίσης σημαντικά. Τα μαθήματα έγιναν πιο ενδιαφέροντα για αυτούς και τους άρεσε η μάθηση, απαιτώντας νέες γνώσεις και τεχνολογία με τον τρόπο που ένιωθαν άνετα, κάτι που, ως ένα βαθμό, τους παρακίνησε να μάθουν. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η μάθηση είναι ουσιαστικά πιο αποτελεσματική όταν οι μαθητές είχαν υψηλά κίνητρα. 4. Ένα από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα ήταν ότι οι μαθητές συμμετείχαν ενεργά στις διαδικασίες διδασκαλίας/μάθησης, από τις οποίες έμαθαν να διαχειρίζονται οι ίδιοι τις σπουδές τους. 5. Οι μαθητές έμαθαν επίσης πώς να χρησιμοποιούν το Intranet για να βελτιώσουν τη διδασκαλία. Τα έργα τους αντανακλούσαν όχι μόνο τα τεχνολογικά σχέδια, αλλά και τη χρήση του Intranet στη διδασκαλία. Αυτό το έμαθαν από τον τρόπο οργάνωσης των μαθημάτων και από τον τρόπο διδασκαλίας τους. Αρνητικά αποτελέσματα: 6. Οι εκπαιδευτές παραπονέθηκαν ότι τώρα η εργασία τους έχει τουλάχιστον διπλασιαστεί και οι απαιτήσεις για προετοιμασία μαθημάτων είναι πιο απαιτητικές σε σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια, γεγονός που επηρέασε ουσιαστικά το κίνητρό τους στη χρήση του συστήματος λόγω του όγκου της εργασίας που προστέθηκε επιπλέον στο διατήρηση μαθημάτων. 7. Οι μαθητές διαμαρτύρονταν γιατί όλο το υλικό της τάξης δεν παρέχεται ηλεκτρονικά-ψηφιακή μορφή ως ηλεκτρονικό περιεχόμενο και γιατί εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μόνο βιβλία. Δεν μπορούν να πάρουν το βιβλίο παντού μαζί τους, ενώ έχουν εύκολη πρόσβαση στο ηλεκτρονικό περιεχόμενο και δεν τους επιβάλλει κανέναν περιορισμό. 8. Το παρεχόμενο περιεχόμενο είναι στατικής φύσης και είναι απλό κείμενο και στατικές γραφικές εικόνες που δεν επηρεάζουν τη μάθηση σε κανένα άλλο επίπεδο σε σύγκριση με τα προηγούμενα μαθήματα (με βάση τα σχόλια των ερευνών χρηστών και εκπαιδευτών) και δεν υπάρχουν μελέτες που θα μπορούσαν να μεταδώσουν τον τρόπο της προετοιμασίας ηλεκτρονικού περιεχομένου που θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά τη μάθηση σε σύγκριση με την κλασική τάξη. 9. Με βάση τις ανατροφοδοτήσεις των χρηστών, την έρευνα ηλεκτρονικής μάθησης και τις ανασκοπήσεις βιβλιογραφίας, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το σύστημα μαθημάτων σε αυτό το στάδιο χρήσης παρέχει μόνο ηλεκτρονική ανάγνωση και όχι ηλεκτρονική μάθηση, καθώς δεν επιβάλλει καμία ξεχωριστή επίδραση στη μάθηση, αποδεχτείτε σε επίπεδο κινήτρων, προσοχής και προσβασιμότητας. Η παρατήρησή μας με βάση ερωτηματολόγια, έρευνες και αναλύσεις μας είναι ότι το σύστημα που αναπτύχθηκε είναι πολύ οικονομικό, με ελαχιστοποιημένη ανάγκη συντήρησης και εκπαίδευσης προσωπικού αφού με βάση το προηγουμένως αξιολογημένο επίπεδο γνώσεών του, αποδείχθηκε πρακτικό και εύκολο στη χρήση, ειδικά έχοντας κατά νου τα τμήματα ήταν η γνώση υπολογιστών δεν είναι απαίτηση. Οι μελλοντικές εργασίες θα πρέπει να περιλαμβάνουν περαιτέρω έρευνα σχετικά με ζητήματα ελέγχου ταυτότητας, επιλογή φόρουμ, συνδέσμους προς άλλο λογισμικό του πανεπιστημίου, όπως λογισμικό βιβλιοθήκης, λογισμικό αξιολόγησης SEEU, κεντρική διοίκηση, και επίσης θα πρέπει να περιλαμβάνουν επιλογές εισαγωγής και εξαγωγής περιεχομένου στο πακέτο περιεχομένου του συμπληρώματος SCORM που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν εύκολα σε συνδυασμό με τα άλλα εμπορικά Συστήματα Διαχείρισης Μαθημάτων. Λόγω της οικονομικής αποδοτικότητάς του και της απλότητας χρήσης του και δεδομένου ότι δεν επιβάλλει προηγούμενες απαιτήσεις δεξιοτήτων πληροφορικής και γνώσεων με βάση έρευνες και σχόλια χρηστών, αποδείχθηκε πρακτικό, χρήσιμο και εύκολο στη συντήρηση σύστημα με εξαιρετικά αποδεκτή οικονομική αποδοτικότητα σε ευρεία πτυχή της χρήσης. για διαφορετικά ιδρύματα/τμήματα. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Challa, C. D., and Redmond, R. T. (996) Is it a Lot of Hype; Hypermedia Approach to Document Processing, Journal of Systems Management (47:3), σελ. -. [] Dumas, J. S., & Redish J. C. (999) A πρακτικός οδηγός για τη δοκιμή χρήσης αναθεωρημένη έκδοση, Pearson Education Limited, σελ. 55-6 [3] Helic, D. Krottmaier, H., Maurer, H., & Scerbakov, N. (5): Enabling Project-Based Learning in WBT Systems, In International Journal on E-Learning (IJEL), Vol. 4, Τεύχος 4, σελίδες , 5. [4] Maciaszek L. A., & Liong L.L, (5) Practical Software Engineering: A case study προσέγγιση, Harlow, Αγγλία: Addison Wesley [5] Nielsen, J. (). Σχεδιασμός χρηστικότητας Ιστού: Η πρακτική της απλότητας. New Riders Publishing, Indianapolis, ISBN X [6] Pressman, R. (5) Software Engineering: A practitioners approach 6 Ed McGraw-HILL, inc, pp

184The Problems in Distant - Learning Veneta Aleksieva Περίληψη Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα προβλήματα στην εξ αποστάσεως εκπαίδευση. Επικεντρώνομαι στην ανατροφοδότηση στην ηλεκτρονική μάθηση ως βασική μέθοδο για την επαφή μεταξύ δασκάλων και μαθητών, η οποία εξετάζεται από δύο οπτικές γωνίες: μαθητής δάσκαλος και Η μαθησιακή αποτελεσματικότητα. Λέξεις-κλειδιά Εξ αποστάσεως εκπαίδευση, Ανατροφοδότηση, Τελική δοκιμασία, Τεστ συνεχούς αξιολόγησης Τα επιτεύγματα των τεχνολογιών τηλεπικοινωνιών πρωτοστάτησαν σε έναν τρόπο για να εξελιχθούν οι νέες τεχνολογίες ως εργαλεία διδασκαλίας και επικοινωνίας, τα οποία μπορούν να παρέχουν γνώση χωρίς τον περιορισμό του παραδοσιακού τρόπου διδασκαλίας. Αυτές οι νέες τεχνολογίες βοηθούν πολύ στην πρόοδο της εξ αποστάσεως εκπαίδευσης, που χρησιμοποιείται από έναν τεράστιο αριθμό επιστημονικών, πολιτιστικών και εμπορικών εταιρειών με κάποια μορφή. Σήμερα, η τάση είναι να εφαρμόζεται η Κατανεμημένη Εκπαίδευση, στην οποία ο μαθητής όχι μόνο είναι σωματικά χωρισμένος από τους δασκάλους /και τους άλλους μαθητές/, αλλά μαθαίνει και με τον δικό του ρυθμό και σε ώρα που τον βολεύει. Η ευκαιρία για μάθηση και διδασκαλία, ανεξάρτητα από τον χρόνο ή τον τόπο, διευκολύνεται πολύ από τη χρήση μαθημάτων που βασίζονται στο Διαδίκτυο. Η ηλεκτρονική μάθηση θα πρέπει να είναι μια απάντηση σε ορισμένες απαιτήσεις που θα πρέπει να οδηγήσουν, όταν θα αναπτύξουμε την ηλεκτρονική μάθηση, συγκεκριμένα: Σαφής καθορισμός ομάδας στόχου Σαφώς και επακριβώς καθορισμένοι μαθησιακοί στόχοι Ποιοτικό περιεχόμενο / αξιόπιστο, σύγχρονο, εφικτό, κατάλληλα αντιπροσωπευόμενο για τον στόχο ομάδα/ Σωστό στυλ διδασκαλίας /το πρόγραμμα σπουδών θα παρουσιαστεί ή θα αφομοιωθεί με τις κατάλληλες μεθόδους διδασκαλίας ενεργητική μάθηση, διαδραστικές προσεγγίσεις κ.λπ./ Αποτελεσματική επικοινωνία και ανατροφοδότηση που εξετάζονται από δύο απόψεις: Η ανατροφοδότηση Μαθητής Δάσκαλος Η ευκαιρία του μαθητή να έρθει σε επαφή με τον δάσκαλό του /διδάσκαλο, web-διαχειριστή κ.λπ./ για διάφορους λόγους που προκύπτουν στη μαθησιακή διαδικασία Η ανατροφοδότηση Η μαθησιακή αποτελεσματικότητα που έχει ο εκπαιδευτικός την ευκαιρία να εκτιμήσει από τους μαθητές τα αποτελέσματα /τεστ, εξετάσεις κ.λπ. / το επίπεδο επιτυχίας, τις παραλείψεις του την παρουσίαση του υλικού και τη μαθησιακή αποτελεσματικότητα. Η ανάλυση αυτού του τύπου ανατροφοδότησης προσφέρει την ευκαιρία να διορθωθούν τα λάθη και οι παραλείψεις και να μειωθούν στο μέλλον με προσαρμοστική στρατηγική για παρουσίαση σε μι