Математичні моделі для обробки інформації в комп'ютерних системах енергонезалежних інформаційно-вимірювальних мереж

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню науково-прикладної задачі розробки моделей та розвитку методів інформаційно-комп’ютерної технології оптимізації транспортної підсистеми пасажирських перевезень у складі системи «розумного міста» для підтримки цифрової економіки, зосереджуючись на розвитку розумних міст, розумної економіки та розумних громадян. Актуальність досліджуваної проблематики пов’язана із необхідністю виявлення системних проблем і факторів упередженості, що стримують сталий розвиток транспортної інфраструктури загалом і сфери пасажирських перевезень зокрема в межах концепції «розумного міста». Перший розділ дисертації присвячений аналізу напрямків розвитку європейської парадигми «розумного міста», сучасних підходів до визначення обсягу пасажиропотоку із застосуванням технологій обробки зображень з ІР камер інформаційно-вимірювальної мережі КС «розумне місто». Доведено, що обробка даних з систем ІР-відеоспостереження ІВМ у режимі реального часу є перспективним напрямком для створення та оптимізації інтелектуального транспортного середовища «розумного міста», що відповідає Цілі 11 «Сталий розвиток міст і громад» програми ООН до 2030 р. Дослідження нинішнього стану та перспектив розвитку підсистем КС «розумне місто» виявило необхідність підвищення оперативності та якості організації міського пасажирського транспорту (МПТ), що можливо за рахунок розробки нових інформаційно-комп’ютерних технологій (ІКТ) на основі використання даних з інформаційно-вимірювальних мереж (ІВМ) комп’ютерної системи (КС) «розумне місто» та створення на їх основі математичних моделей та програмних засобів для підтримки прийняття рішень у режимі реального часу щодо оптимізації функціонування МПТ. Другий розділ зосереджено на розробленні математичних моделей для обробки інформації в комп'ютерних системах енергонезалежних інформаційно-вимірювальних мереж (ІВМ), використання яких дозволить автоматизувати моніторинг в реальному часі та планування подачі міського транспорту шляхом обробки даних, отриманих із IP-камер. Наукова новизна запропонованого підходу до процесу оброблення зображень з ІР-камер КС «розумне місто» полягає у визначенні введених інтегрального та нормованого індексів наповненості кадру кожної зупинки у реальному часі на основі аналізу інформаційної складності сцени за допомогою ентропії Шеннона, контрастної складової RGB-гістограми зображення та міжкадрової відмінності зображення наповненої пасажирами та порожньої зупинки МПТ. Використовуючи запропоновану систему показників, можна оцінювати рівень наповненості зупинок пасажирами на різних маршрутах. Для збільшення часу енергонезалежності диспетчерських пунктів перевізників як осіб, що приймають рішення щодо подачі ТЗ на маршрут, розроблено математичну модель оптимізованого енергоспоживання у локальних пунктах ІоТ-пристроями як хостами ІВМ для оброблення зображень експертами перевізників. Аналіз моделювання показує, що зменшити коефіцієнт завантаженості центрального процесора (ЦП) ІоТ-пристрою можливо шляхом розподілу обчислень у режимі реального часу між ядрами ЦП такого пристрою. Розроблені спрощені одновимірні математичні моделі зменшеного порядку для об’єктів ІВМ «розумного міста» дозволяють здійснювати оцінювання часу енергонезалежності сегменту ІВМ на зупинці МПТ при використанні задіяного джерела живлення та планувати своєчасне та автоматизоване переключення хоста ІВМ на альтернативне джерело живлення. Наведені результати моделювання показали функціональну працездатність розроблених математичних моделей. На відміну від відомих результатів з використанням нейромережевих методів, дослідження показало, що запропоновані моделі мають значно меншу обчислювальну складність та не потребують апаратного прискорення. У третьому розділі розглядається процес побудування ієрархічних, маргінальних та математичних моделей для задачі вибору ТЗ для подачи на заповнені зупинки МПТ. Для прийняття рішення побудовано концептуальні ієрархічні моделі вигод та витрат, розглянуто можливість та необхідність побудування додаткових ієрархічних моделей за критеріїями, обраними відповідно до методології BOCR (Benefits–Opportunities–Costs–Risks). Запропоновано вдосконалену модель, в якій виконується розщеплення основних критеріїв на підкритерії, кількість та зміст яких може варіюватись в залежності від зміни оточуючих умов та виникаючих додаткових проблем. Для об’єднання групових експертних оцінок (ЕО) запропонований метод, що дозволяє синтезувати колективне рішення різних підгруп експертів, враховуючи різні способи представлення вподобань експертів (нечіткі, точкові та ін. оцінки). Даний метод дозволяє моделювати невизначеності, які породжуються суперечливими експертними свідченнями, і не накладає жорстких обмежень на спосіб подання ЕО. На відміну від наявних, запропонований метод забезпечує обробку експертних суджень будь-якої структури: узгоджених, еквівалентних, довільних тощо. Він також враховує можливі об'єднання та перетини експертних свідчень. У четвертому розділі розроблені програмні засоби реалізації математичних моделей та методів інформаційно-комп’ютерної технології, розглянутих у попередніх розділах. Висвітлено етапи проєктування та конфігурації програмного забезпечення (ПЗ), призначеного для моніторингу пасажиропотоку визначенні рівня завантаженості зупинок громадського транспорту. Представлено розробку користувацького інтерфейсу для роботи з даними ІВМ КС «розумне місто». Проведено тестування ПЗ та доведено, що використання результатів дослідження дозволить покращити якість обслуговування громадян та оптимізувати рух міського пасажирського транспорту. За результатами досліджень розроблена інформаційно-комп’ютерна технологія, яка може бути інтегрована у підсистему МПТ КС «розумне місто», спрямована на синтез консолідованих експертних рішень щодо диспетчеризації МПТ у режимі реального часу, з урахуванням факторів невизначеності та нечіткості вхідної інформації, для підтримки прийняття рішень з організації бізнес-процесу пасажирських перевезень міським автотранспортом на основі аналізу рівня наповненості зупинок за даними з ІР-камер. Результати дослідження впроваджено у науково-дослідні роботи за підтримки Міносвіти і науки України (№ держ. реєстрації 0118U000193 та 0117U007144), у навчальний процес Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (ОПП «Комп’ютерні науки» та ОПП «Управління проєктами»), у виробничу діяльність комерційного та комунального підприємств, а також апробовано на міжнародних і всеукраїнських конференціях. Запропоновані підходи можуть бути також ефективно використані в системах моніторингу натовпу, планування заходів безпеки в громадських просторах, управління корпоративними мережами, реалізацію концепцій «розумного міста» та платформ Інтернету речей (IoT), а також у науково-дослідну діяльність і навчальний процес підготовки спеціалістів за спеціальністю 122/F3 «Комп’ютерні науки».