Моделювання екологічних процесів на основі двокрокового симетризованого різницевого алгоритму та супутникових даних

Яйлимова Г.О. Моделювання екологічних процесів на основі двокрокового симетризованого різницевого алгоритму та супутникових даних. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 113 «Прикладна математика» (11 – Математика та статистика). – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2021. Екологічні проблеми планети є актуальним об’єктом досліджень, оскільки з кожним роком зростає антропогенний вплив на довкілля і збільшується кількість надзвичайних ситуацій. Однією із серйозних проблем є забруднення атмосферного повітря. Для моніторингу екологічних проблем у світі та екологічного прогнозування процесів у атмосфері використовують математичні моделі з просторово-розподіленими параметрами, для роботи яких необхідні відповідні вхідні дані – початковий стан і крайові умови. Актуальним питанням є використання саме реальних вхідних даних та їх коректна інтерпретація при моделюванні відповідних процесів. В останні роки з запуском програми Copernicus Європейського космічного агентства та активним розвитком дистанційних та наземних систем спостережень з’явились нові джерела об’єктивних даних, які можна асимілювати в моделі екологічних процесів і підвищувати точність прогнозування розвитку процесів переносу забруднення в атмосфері. Застосування таких моделей для великих територій потребує значних обчислювальних ресурсів та розпаралелювання розрахунків. Внаслідок цього виникає потреба вдосконалення існуючих математичних моделей шляхом збільшення їх швидкодії, адаптації до багатопроцесорних обчислювальних ресурсів, а також налагодження сучасних хмарних технологій для їх використання (таких як Amazon Web Services). Найбільш значні та успішні результати в області моделювання екологічних процесів, які описуються системами рівнянь переносу та системами рівнянь Нав’є-Стокса були отримані в роботах закордонних авторів Неле Шувірт, Елейн Шорнобай-Луї, Мішель де Бруасія, а також в роботах українських авторів С.І. Ляшка, А.Я. Бомби, В.П. Матейчик із використанням на двокрокового симетризованого різницевого алгоритму та О.Ю. Грищенко, В.В. Оноцький та ін. Проте з розвитком новітніх технологій виникають і нові джерела даних. Зокрема, корисними в задачах моделювання перенесення забрудників у повітрі є супутникові дані якості повітря Sentinel-5p, які у вільному доступі з’явилися лише у 2018 році завдяки програмі Європейського космічного агентства Copernicus. Супутникові дані стабільно надають інформацію про стан якості повітря, на відміну від наземних станцій, оскільки наземні станції локалізовані здебільшого у великих населених пунктах. Над проблемою створення методів супутникового екологічного моніторингу атмосфери працюють E. Gerasopoulos, Giuseppe Zibordi, а в Україні Г. Міліневський, Н. Куссуль, А. Шелестов та інші. З експоненційним збільшенням об’ємів супутникових даних виникає потреба у розробці оптимізованих математичних моделей та удосконаленні методів спільного використання супутникових та модельних даних. Одночасно виникають питання підвищення точності і збільшення швидкодії моделюючих алгоритмів. Одним із ефективних шляхів розв'язування проблеми швидкодії алгоритмів є застосування багатопроцесорних обчислювальних систем або сучасні хмарні технології, зокрема такі як Amazon Web Services. Досвід показав, що більшість методів розв’язування прикладних задач, які є ефективними на однопроцесорних системах - малоефективні, або і зовсім непридатні для використання на багатопроцесорних комплексах. Зокрема схеми Мак-Кормака, Браіловської, Лакса-Вендроффа, Алена-Чена, ДюфортаФранклена та низка інших. Це пояснюється тим, що чисельні методи, які використовуються на багатопроцесорних системах повинні задовольняти всім умовам коректності та точності: апроксимувати поставлену задачу, бути стійкими, відображати закони збереження на сітковій множині, задовольняти потрібну точність та бути ефективними по швидкодії, на кожному окремому процесорі, тощо. Крім того вони повинні бути ефективними при розпаралелюванні. Великий вклад у вивчення властивостей та побудову розв'язку систем рівнянь переносу, зокрема системи рівнянь Нав’є-Стокса, внесли О. А. Ладиженська, Р. Темам, Дж.-Л. Ліонс, П. Роуч, Г. І. Марчук, О.А.Самарський та їх учні. Ідеї запропоновані в роботах М.М.Яненко та О.М.Белоцерковського одержали подальший розвиток при застосуванні на паралельних обчислювальних комплексах. При побудові алгоритмів для паралельних обчислювальних комплексів все ширше почали використовуватись двокрокові різницеві алгоритми. Свій розвиток в напрямку застосування до багатопроцесорних систем, одержав також і двокроковий симетризований алгоритм. Незважаючи на достатньо велику кількість робіт, запити наукового та суспільного розвитку вимагають більш широкого застосування сучасних багатопроцесорних комплексів і нових джерел даних, а отже, і розробки нових алгоритмів чисельного моделювання відповідних процесів, а також розширення застосування даного математичного апарату для більшого спектру прикладних задач, зокрема до моніторингу та моделювання екологічного стану міст з використанням супутникових даних в якості вхідних даних. Метою дисертаційного дослідження є вдосконалення математичного апарату моделювання процесів переносу шляхом розробки двокрокового симетризованого алгоритму та застосування супутникових даних, що дасть можливість підвищити швидкодію та точність моделюдвання шляхом використання багатопроцесорних обчислень і геопросторових даних. Поставлена мета обумовлює необхідність розв’язування таких основних задач: - проаналізувати наявні методи чисельного моделювання розповсюдження забруднювачів у повітрі; - побудувати алгоритми розщеплення за просторовими напрямками з використанням двокроково-симетризованого алгоритму; - дослідити та теоретично обґрунтувати основні обчислювальні характеристики методів: порядок апроксимації, існування розв’язку; - проаналізувати можливості розпаралелювання побудованих алгоритмів; - адаптувати двокрокий-симетризований алгоритм для моделювання руху забруднювача в атмосфері; - реалізувати запропонований метод для чисельного моделювання руху забруднювача в атмосфері із використанням даних із супутників в якості початкових умов; - проаналізувати точність використання моделі для змодельованого руху забруднювача повітря, використавши аналогічні реальні дані із супутнику. В дисертації вперше отримані такі нові наукові результати: - вперше розроблено двокроковий чисельний алгоритм знаходження розв’язку задачі чисельного моделювання пучка типу гаусівського випромінювання в умовах теплового саморозігріву середовища. Встановлено умови існування та єдності розв’язку різницевої системи, її порядок апроксимації; - вперше розроблено двокроковий чисельний алгоритм знаходження розв’язків початково-крайових задач для систем переносу (систем параболічних рівнянь другого порядку без мішаних похідних), орієнтований на використання багатопроцесорних комплексів. Встановлено умови існування та єдності розв’язку різницевої системи, її порядок апроксимації; - вперше побудовано модель та інформаційну технологію асиміляції супутникових даних в модель переносу забруднювача в повітрі. Розроблений алгоритм ефективний для використання у тих випадках, коли необхідно оцінити якість повітря не лише в містах, а глобально у світі чи на рівні певної країни; - доведено значущість використання ДС-алгоритму до задачі розповсюдження забруднення повітря шляхом оцінки точності моделювання концентрації забруднювача в повітрі; - вперше розв’язана задача моніторингу якості повітря в місті з використанням ДС-алгоритму та визначення індикаторів цілей сталого розвитку для аналізу ступеню деградації землі. - вперше змодельовано зв’язок між екологічними процесами деградації земного покриву (зокрема, це спалювання стерні на сільськогосподарських полях) та зміною якості повітря. Дисертаційне дослідження виконано в межах наукової теми “Математичне моделювання та оптимізація динамічних систем для оборони, екології та медицини” (№ Держреєстрації 0119U100337). Практична цінність полягає в тому, що запропоновані в дисертації методи використано при обчисленні індикаторів цілей сталого розвитку в межах проекту ERA-Planet Horizon-2020. За матеріалами дисертації опубліковано 16 робіт, з яких 6 – це статті у журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань затверджених МОН України за спеціальністю дисертації або у періодичних виданнях іноземних держав (1 з них без співавторів, 1 включена до міжнародної наукометричної бази SCOPUS та 2 до бази Web of Science), та 10 – публікації у матеріалах конференцій (у тому числі, міжнародних)

Connecting Disjoint Nodes Through a UAV-Based Wireless Network for Bridging Communication Using IEEE 802.11 Protocols

Cooperative aerial wireless networks composed of small unmanned aerial vehicles(UAVs) are easy and fast to deploy and provide on the fly communication facilities in situations where part of the communication infrastructure is destroyed and the survivors need to be rescued on emergency basis. In this article, we worked on such a cooperative aerial UAV-based wireless network to connect the two participating stations. The proposed method provides on the fly communication facilities to connect the two ground stations through a wireless access point (AP) mounted on a UAV using the IEEE 802.11a/b/g/n. We conducted our experiments both indoor and outdoor to investigate the performance of IEEE 802.11 protocol stack including a/b/g/n. We envisioned two different cases: line of sight (LoS) and non-line of sight (NLoS). In LoS, we consider three different scenarios with respect to UAV altitude and performed the experiments at different altitudes to measure the performance and applicability of the proposed system in catastrophic situations and healthcare applications. Similarly, for NLoS, we performed a single set of experiments in an indoor environment. Based on our observations from the experiments, 802.11n at 2.4 GHz outperforms the other IEEE protocols in terms of data rate followed by 802.11n at 5 GHz band. We also concluded that 802.11n is the more suitable protocol that can be practiced in disastrous situations such as rescue operations and healthcare applications

Performance analysis of a polling model with BMAP and across-queue state-dependent service discipline

As various video services become popular, video streaming will dominate the mobile data traffic. The H.264 standard has been widely used for video compression. As the successor to H.264, H.265 can compress video streaming better, hence it is gradually gaining market share. However, in the short term H.264 will not be completely replaced, and will co-exist with H.265. Using H.264 and H.265 standards, three types of frames are generated, and among different types of frames exist dependencies. Since the radio resources are limited, using dependencies and quantities of frames in buffers, an appropriate time division transmission policy can be applied to transmit different types of frames sequentially, in order to avoid the occurrence of video carton or decoding failure. Polling models with batch Markovian arrival process (BMAP) and across-queue state-dependent service discipline are considered to be effective means in the design and optimization of appropriate time division transmission policies. However, the BMAP and across-queue state-dependent service discipline of the polling models lead to the large state space and several coupled state transition processes, which complicate the performance analysis. There have been very few researches in this regard. In this paper, a polling model of this type is analyzed. By constructing a supplementary embedded Markov chain and applying the matrix-analytic method based on the semi-regenerative process, the expressions of important performance measures including the joint queue length distribution, the customer blocking probability and the customer mean waiting time are obtained. The analysis will provide inspiration for analyzing the polling models with BMAP and across-queue state-dependent service discipline, to guide the design and optimization of time division transmission policies for transmitting the video compressed by H.264 and H.265

An Intelligence and Creative Computing Based Mental Health Care Framework

Artificial intelligence is being developed and applied in business, medical, tourism and other subjects. Health care can be related to artificial intelligence, serving more on protecting people’s health through supervising some indexes of people and providing advice for people’s normal life. As health care is required colleting the physical data, voice data and video data, wearable products are suitable. The user is connected with wearable products through minor cameras, sensors, and chips. In this research, an artificial intelligence-based health care framework is achieved for supervising and managing user’s health conditions and being applied with intelligent shoes. The aim of this research is to serve people on mental health care in normal life based on physical data analysis and mental data analysis, to protect people from being sub-health, to advise people on different aspects of being healthy. An applicable system can be generated with specific AI algorithms and machine learning algorithms, including body index data statistical model analysis, voice data analysis algorithm, and video data analysis. The framework can collect health related data and analyse it, generating health state reports and advice report for the user. The entire system is based on artificial intelligence theories and methods, and machine learning algorithms, completing health data processing. Abstraction method is combined with conventional nueral network and recurrent neural network are used for voice data analysis and video data analysis. Statistical model is created based on body index data categories. Three kinds of data can be processed for supervising the emotions of the user. This research will generate a mental health care framework and a mental health supervision and management system that can be set on the wearable products for the application

Advanced Methods of Power Load Forecasting

This reprint introduces advanced prediction models focused on power load forecasting. Models based on artificial intelligence and more traditional approaches are shown, demonstrating the real possibilities of use to improve prediction in this field. Models of LSTM neural networks, LSTM networks with a SESDA architecture, in even LSTM-CNN are used. On the other hand, multiple seasonal Holt-Winters models with discrete seasonality and the application of the Prophet method to demand forecasting are presented. These models are applied in different circumstances and show highly positive results. This reprint is intended for both researchers related to energy management and those related to forecasting, especially power load

Towards Sustainable Blockchains:Cryptocurrency Treasury and General Decision-making Systems with Provably Secure Delegable Blockchain-based Voting

The blockchain technology and cryptocurrencies, its most prevalent application, continue to gain acceptance and wide traction in research and practice within academia and the industry because of its promise in decentralised and distributed computing. Notably, the meteoric rise in the value and number of cryptocurrencies since the creation of Bitcoin in 2009 have ushered in newer innovations and interventions that addressed some of the prominent issues that affect these platforms. Despite the increased privacy, security, scalability, and energy-saving capabilities of new consensus protocols in newer systems, the development and management of blockchains, mostly, do not reflect the decentralisation principle despite blockchains being decentralised and distributed in their architecture. The concept of treasury has been identified as a tool to address this problem. We explore the idea of blockchain treasury systems within literature and practice, especially with relation to funding and decision-making power towards blockchain development and maintenance. Consequently, we propose a taxonomy for treasury models within cryptocurrencies. Thereafter, we propose an efficient community-controlled and decentralised collaborative decision-making mechanism to support the development and management of blockchains. Our proposed system incentivises participants and is proven secure under the universally composable (UC) framework while also addressing gaps identified from our investigation of prior systems e.g. non-private ballots and insecure voting. Furthermore, we adapt our system and propose a privacy-preserving general decision making system for blockchain governance that supports privacy-centric cryptocurrencies. Besides, using a set of metrics, we introduce a consensus analysis mechanism to enhance the utility of decision-making of the systems by evaluating individual choices against collective (system-wide) decisions. Finally, we provide pilot system implementations with benchmark results confirming the efficiency and practicality of our constructions

Online opera: an applied collision of opera and web creativity

This practice-based research explores the collision of opera and web creativity through the development and evaluation of a new 'online opera' called "The Village" (2015). Contrasting existing offerings that position the web as a means of disseminating more familiar representations of opera, "The Village" draws on concepts of participatory culture, digital storytelling and co-creativity to advance a culturally novel apprehension of online opera that treats the web as a unique creative space. This interpretation is intrinsically digital, unable to be realised through conventional forms of theatrical presentation, and transformative in its approach to the core elements of opera. "The Village" in additional serves as a vehicle to investigate how the phenomenon of 'liveness' - that is, a feeling of 'now-ness' experienced in live performance - may be reimagined in the context of an entirely mediated opera. A range of theoretical perspectives are drawn on to establish a set of liveness devices that attempt to evoke in visitors to "The Village" a sense of contemporaneity and shared experience. These include temporal alignment between virtual and real-world events and the facilitation of social interaction through a narrative mechanism called the 'Digital Chorus', amongst others. Evaluative activities critique the effectiveness of such devices, and offer means in which they may be modified to better construct 'the live'