DSpace Collection:

Інформаційно-вимірювальна система контролю параметрів та оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин

Fri, 15 May 2026 00:00:00 GMT

Title: Інформаційно-вимірювальна система контролю параметрів та оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин Authors: Бут, Вячеслав Олександрович Abstract: Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі – підвищенню достовірності контролю параметрів та точності оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин на основі створення інформаційно-вимірювальної системи нового покоління. У роботі обґрунтовано та реалізовано інформаційно-вимірювальну систему, яка забезпечує комплексний контроль параметрів імпульсного впливу, реєстрацію реакції пласта та автоматизоване оцінювання його ефективності в режимі, наближеному до реального часу. Запропоновано методичне, математичне, інструментальне та інформаційне забезпечення системи, що дозволяє інтегрувати процеси вимірювання, оброблення сигналів і прийняття діагностичних рішень. Встановлено, що застосування розробленої системи забезпечує підвищення точності оцінювання ефективності впливу, зменшення залежності від експертних оцінок та підвищення відтворюваності результатів контролю. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю підвищення ефективності видобутку вуглеводнів в умовах виснажених родовищ, складних гірничо-геологічних умов та постійного зростання вимог до енергоефективності й технологічної надійності процесів, що потребує впровадження сучасних інформаційно-вимірювальних систем для оперативного контролю та адаптивного керування технологічними процесами. У вступі наведено загальну характеристику дисертаційного дослідження, його актуальність, відповідність науковим темам; визначено наукову новизну та практичне значення результатів дисертації, а також предмет та об’єкт дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження. У першому розділі виконано аналіз сучасного стану проблеми зниження продуктивності нафтових свердловин та методів впливу на привибійну зону пласта. Розглянуто основні причини погіршення фільтраційно-ємнісних властивостей привибійної зони, зокрема кольматацію порового середовища, вплив технологічних рідин, зміну фазової проникності та зростання скінофактора. Проведено порівняльний аналіз наявних методів інтенсифікації припливу вуглеводнів, включаючи хімічні, гідродинамічні, гідророзривні та імпульсно-хвильові технології. Обґрунтовано необхідність створення інформаційно-вимірювальних систем, що поєднують функції контролю, аналізу та оцінювання ефективності впливу. У розділі також обрано напрям дисертаційного дослідження та сформовано основні задачі наукової роботи. У другому розділі удосконалено математичну модель електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, яка враховує вплив параметрів імпульсного навантаження, динаміки тиску, коливальних процесів, характеристик привибійної зони та дестабілізуючих чинників. Запропонована модель забезпечує підвищення адекватності опису процесів вимірювального перетворення та точності визначення інформативних параметрів реакції пласта, зокрема резонансних характеристик і енергетичних показників сигналу. У третьому розділі розроблено метод і алгоритми автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на основі оброблення сигналів багатопараметричного п’єзоелектричного датчика. Реалізовано підхід до виділення часових, енергетичних і спектральних ознак динамічної реакції пласта, що дозволяє перейти від якісної експертної оцінки до кількісно обґрунтованого інтегрального показника ефективності. Обґрунтовано структуру та функціональну модель інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує інтеграцію підсистем вимірювання, оброблення сигналів, аналізу та керування. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень і випробувань розробленої інформаційно-вимірювальної системи. Встановлено, що система забезпечує високу точність і відтворюваність вимірювань, дозволяє оцінювати ефективність адаптивного імпульсного впливу з високою достовірністю, а також визначати раціональні режими впливу для підвищення продуктивності свердловин. Показано можливість практичного впровадження розроблених методів і засобів у системи моніторингу та керування процесами нафтовидобутку. Отримані результати можуть бути впроваджені у виробничу практику підприємств нафтогазовидобувної галузі, а також використані у навчальному процесі при підготовці фахівців за спеціальностями у галузі автоматизації, інформаційно-вимірювальних технологій та енергетики. Наукова новизна одержаних результатів: – вперше розв’язано науково-прикладну задачу контролю параметрів та оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин шляхом розроблення методичного, математичного, інструментального та інформаційного забезпечення, на основі якого створено інформаційно-вимірювальну систему, що забезпечує достовірні та відтворювані вимірювання параметрів процесу, інтерпретацію реакції пласта та підвищення точності діагностування стану привибійної зони; – удосконалено математичну модель електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, яка, на відміну від відомих, враховує вплив параметрів адаптивної імпульсної дії, характеристик привибійної зони, динаміки тиску, імпульсних навантажень, коливальних процесів і дестабілізуючих чинників контрольованого середовища, що дозволило підвищити адекватність опису процесів вимірювального перетворення та точність виділення інформативних ознак реакції пласта; – вперше запропоновано підхід до автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, який ґрунтується на обробленні та інтерпретації вимірювальних сигналів багатопараметричного п’єзоелектричного датчика з урахуванням сукупності інформативних параметрів динамічної реакції пласта, що дозволило підвищити достовірність оцінювання оперативної ефективності імпульсного впливу та покращити обґрунтованість прогнозу його результативності, зменшити залежність від експертної суб’єктивності та покращити обґрунтованість діагностичних рішень; – дістали подальшого розвитку методи оцінювання стану привибійної зони нафтових свердловин завдяки використанню даних багатопараметричного п’єзоелектричного датчика та встановлення взаємозв’язку між параметрами динамічної реакції пласта і результативністю відновлення продуктивності свердловини, що дозволило підвищити інформативність контролю, обґрунтованість вибору режимів адаптивного імпульсного впливу та якість інтерпретації його ефективності. Практичне значення одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні розв’язано важливе науково-практичне питання підвищення достовірності контролю параметрів та точності оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин шляхом розроблення нового методичного, математичного, інструментального та інформаційного забезпечення, на основі якого створено інформаційно-вимірювальну систему, що забезпечує відтворювані вимірювання параметрів процесу, інтерпретацію реакції пласта та підвищення точності діагностування стану привибійної зони. Практична цінність одержаних результатів полягає у такому: – розроблено методичне та алгоритмічне забезпечення автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, що дає змогу підвищити достовірність інтерпретації результатів впливу, зменшити залежність від експертної суб’єктивності та покращити обґрунтованість прийняття рішень щодо режимів відновлення продуктивності свердловин; – створено математичну модель та розроблено програмне забезпечення на її основі для визначення електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, що дозволяє з достатньою адекватністю описувати процеси вимірювального перетворення параметрів адаптивного імпульсного впливу з урахуванням динаміки тиску, імпульсних навантажень, коливальних процесів, характеристик привибійної зони та впливу дестабілізуючих чинників контрольованого середовища; – розроблено багатопараметричний п’єзоелектричний датчик для реєстрації інформативних параметрів стану привибійної зони нафтових свердловин, використання якого забезпечує розширення складу контрольованих параметрів, підвищення інформативності вимірювань та покращення відтворюваності результатів контролю; – розроблено інформаційно-вимірювальну систему контролю параметрів і оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу, що поєднує підсистеми вимірювання, оброблення сигналів, аналізу інформативних ознак та формування діагностичних рішень, і яка дозволяє здійснювати комплексний автоматизований контроль параметрів процесу та оперативне оцінювання реакції пласта; – запропоновані метод, алгоритми та інформаційно-вимірювальна система можуть бути використані під час дослідно-промислових робіт, налагодження та супроводу технологій імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, а також у системах моніторингу та підтримки прийняття рішень на підприємствах нафтогазовидобувної галузі; – результати теоретичних та експериментальних досліджень, математичні моделі, методичне забезпечення, алгоритми оброблення та інтерпретації сигналів, а також побудована на їх основі інформаційно-вимірювальна система можуть бути впроваджені у практику на підприємствах нафтогазовидобувної галузі, в науково-дослідних установах і сервісних компаніях, що займаються моніторингом, діагностуванням та інтенсифікацією роботи нафтових свердловин; – основні положення дисертаційної роботи використані у навчальних курсах кафедри приладобудування, мехатроніки та комп’ютеризованих технологій Черкаського державного технологічного університету у межах дисциплін "Фізичні процеси у приладах та системах", "Проєктування інформаційно-вимірювальних систем", "Методи підвищення метрологічних характеристик приладів контролю та визначення параметрів об'єктів".; The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and applied problem - increasing the reliability of parameter control and accuracy of assessing the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells based on the creation of a new generation information and measurement system. The paper substantiates and implements an information and measurement system that provides comprehensive control of pulse impact parameters, registration of the reservoir reaction and automated assessment of its efficiency in a mode close to real time. Methodological, mathematical, instrumental and informational support of the system is proposed, which allows integrating the processes of measurement, signal processing and diagnostic decision-making. It is established that the application of the developed system provides an increase in the accuracy of assessing the effectiveness of impact, reducing dependence on expert assessments and increasing the reproducibility of control results. The relevance of the study is due to the need to increase the efficiency of hydrocarbon production in the conditions of depleted deposits, complex mining and geological conditions and growing requirements for energy efficiency and technological reliability of processes, which requires the introduction of modern information and measurement systems for operational control and adaptive control of technological processes. The introduction provides the general characteristics of the dissertation research, its relevance, compliance with scientific topics; the scientific novelty and practical significance of the results of the dissertation, as well as the subject and object of research, are determined, the purpose and objectives of scientific research are formulated. In the first section, the analysis of the current state of the problem of reducing the productivity of oil wells and methods of influencing the bottomhole zone of the reservoir is performed. The main reasons for the deterioration of the filtration-capacitive properties of the bottomhole zone are considered, in particular, the colmatation of the pore medium, the influence of process fluids, changes in phase permeability and the growth of the skin factor. A comparative analysis of existing methods of intensification of hydrocarbon inflow, including chemical, hydrodynamic, hydraulic fracturing and pulse-wave technologies, is carried out. The need to create information and measurement systems that combine the functions of control, analysis and evaluation of impact efficiency is substantiated. The section also selects the direction of dissertation research and forms the main tasks of scientific work. In the second section, the mathematical model of the electrical impedance of a multiparametric piezoelectric sensor, which takes into account the influence of pulse load parameters, pressure dynamics, oscillatory processes, characteristics of the bottomhole zone and destabilizing factors, is improved. The proposed model provides an increase in the adequacy of the description of the processes of measurement transformation and the accuracy of determining the informative parameters of the reservoir reaction, in particular the resonance characteristics and energy parameters of the signal. In the third section, a method and algorithms for automated assessment of the efficiency of adaptive impulse action based on signal processing of a multiparameter piezoelectric sensor are developed. An approach to the selection of time, energy and spectral features of the dynamic reaction of the reservoir is implemented, which allows to move from a qualitative expert assessment to a quantitatively grounded integral indicator of efficiency. The structure and functional model of the information and measurement system, which provides the integration of subsystems of measurement, signal processing, analysis and control, are substantiated. The fourth section presents the results of experimental studies and tests of the developed information and measurement system. It is established that the system provides high accuracy and reproducibility of measurements, allows evaluating the effectiveness of adaptive impulse impact with high reliability, as well as determining rational modes of influence to increase the productivity of wells. The possibility of practical implementation of the developed methods and tools in the systems of monitoring and control of oil production processes is shown. The results obtained can be implemented in the production practice of oil and gas production enterprises, as well as used in the educational process in the training of specialists in the specialties in the field of automation, information and measurement technologies and energy. Scientific novelty of the results obtained: – for the first time, the scientific and applied problem of parameter control and evaluation of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was solved by developing methodological, mathematical, instrumental and information support, on the basis of which an information and measuring system was created, which provides reliable and reproducible measurements of process parameters, interpretation of the reservoir reaction and improving the accuracy of diagnosing the state of the bottomhole zone; – the mathematical model of the electrical impedance of a multiparameter piezoelectric sensor has been improved, which, unlike the known ones, takes into account the influence of the parameters of adaptive impulse action, characteristics of the bottomhole zone, pressure dynamics, impulse loads, oscillatory processes and destabilizing factors of the controlled environment, which made it possible to increase the adequacy of the description of the processes of measuring transformation and the accuracy of highlighting informative features of the reservoir reaction; – for the first time, an approach to automated assessment of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was proposed, which is based on the processing and interpretation of measuring signals of a multiparametric piezoelectric sensor, taking into account a set of informative parameters of the reservoir dynamic response, which made it possible to increase the reliability of assessing the effectiveness of the impact, reduce dependence on expert subjectivity and improve the validity of diagnostic decisions; – methods for assessing the state of the bottomhole zone of oil wells were further developed due to the use of data from a multiparametric piezoelectric sensor and establishing a relationship between the parameters of the reservoir dynamic response and the effectiveness of well performance recovery, which made it possible to increase the information content of control, the validity of the choice of adaptive impulse action modes and the quality of interpretation of its efficiency. Practical significance of the results obtained. In the dissertation research, an important scientific and practical issue of increasing the reliability of parameter control and accuracy of estimating the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was solved by developing a new methodological, mathematical, instrumental and information support, on the basis of which an information and measuring system was created, which provides reproducible measurements of process parameters, interpretation of the reservoir reaction and increasing the accuracy of diagnosing the state of the bottomhole zone. The practical value of the results obtained is as follows: – methodological and algorithmic support for automated assessment of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells has been developed, which makes it possible to increase the reliability of the interpretation of the impact results, reduce dependence on expert subjectivity and improve the validity of decision-making on the modes of well productivity recovery; – a mathematical model has been created and software based on it has been developed to determine the electrical impedance of a multiparametric piezoelectric sensor, which allows to describe with sufficient adequacy the processes of measuring transformation of the parameters of adaptive impulse action, taking into account the dynamics of pressure, impulse loads, oscillatory processes, characteristics of the bottomhole zone and the influence of destabilizing factors of the controlled environment; – a multiparametric piezoelectric sensor has been developed to register informative parameters of the state of the bottomhole zone of oil wells, the use of which provides an expansion of the composition of controlled parameters, an increase in the information content of measurements and an improvement in the reproducibility of control results; – an information-measuring system for monitoring parameters and evaluating the effectiveness of adaptive impulse impact has been developed, which combines subsystems for measurement, signal processing, analysis of informative features and formation of diagnostic solutions, and which allows for comprehensive automated control of process parameters and operational assessment of reservoir reaction; – the proposed method, algorithms and information and measurement system can be used during pilot work, adjustment and maintenance of technologies of impulse impact on the bottomhole zone of oil wells, as well as in monitoring and decision support systems at oil and gas production enterprises; – the results of theoretical and experimental research, mathematical models, methodological support, algorithms for processing and interpreting signals, as well as the information and measurement system built on their basis can be implemented in practice at oil and gas production enterprises, research institutions and service companies engaged in monitoring, diagnostics and intensification of oil well operation; – the main provisions of the dissertation were used in the training courses of the Department of Instrumentation, Mechatronics and Computerized Technologies of Cherkasy State Technological University within the disciplines "Physical Processes in Devices and Systems", "Design of Information and Measuring Systems", "Methods for Improving the Metrological Characteristics of Control Devices and Determining the Parameters of Objects".

Моделі та методи адаптивного виявлення сигналів на фоні негаусових завад в інформаційно - вимірювальних системах

Mon, 13 Apr 2026 00:00:00 GMT

Title: Моделі та методи адаптивного виявлення сигналів на фоні негаусових завад в інформаційно - вимірювальних системах Authors: Зорін, Олександр Сергійович Abstract: У дисертаційній роботі вирішено науково-технічне завдання підвищення ефективності систем виявлення біполярних дискретних RZ-сигналів в інформаційно-вимірювальних системах (ІВС) при адитивній взаємодії з негаусовими завадами на основі реалізації моментно-кумулянтних моделей досліджуваних випадкових величин та синтезу адаптивних поліноміальних розв’язувальних правил, оптимальних за адаптованим моментним критерієм якості перевірки статистичних гіпотез. Це дозволяє забезпечити високу завадостійкість каналів зв’язку в умовах апріорної невизначеності щодо виду та параметрів закону розподілу завад. Отримані результати використано при розробці методів та алгоритмів статистичної обробки сигналів і програмних засобів комп’ютерного моделювання процесів функціонування ІВС на фоні негаусових завад. У роботі відзначено, що застосування традиційних підходів до дослідження та розробки систем обробки сигналів в ІВС має ряд обмежень, пов’язаних зі складністю алгоритмічної реалізації та значними вимогами до обчислювальних ресурсів. Це ускладнює побудову ефективних програмно-алгоритмічних засобів статистичної обробки сигналів у каналах зв’язку ІВС. Додаткові труднощі виникають у випадках, коли завади мають негаусовий характер, що призводить до відхилення їх статистичних характеристик від класичної гаусової моделі. За таких умов традиційні методи обробки сигналів, що базуються на використанні гаусових щільностей розподілу ймовірностей та відповідних ймовірнісних критеріїв якості, втрачають ефективність або потребують значного ускладнення алгоритмів реалізації. Це обумовлює необхідність застосування альтернативних підходів до статистичного опису випадкових процесів та синтезу розв’язувальних правил для задач виявлення сигналів у ІВС. Сучасні дослідження показують, що для розв’язання задач обробки сигналів на фоні негаусових завад перспективним є підхід, заснований на використанні моментно-кумулянтного опису випадкових величин. Такий підхід передбачає використання моментів та кумулянтів для опису статистичних властивостей досліджуваних процесів і дозволяє адекватно враховувати відхилення їх розподілів від гаусової моделі. Використання моментно-кумулянтного представлення забезпечує можливість ефективного статистичного опису негаусових процесів та створює передумови для побудови алгоритмів виявлення сигналів при їх адитивній взаємодії із завадами у каналах зв’язку ІВС. Це дозволяє формувати ефективні розв’язувальні правила (РП) для задач виявлення сигналів на фоні негаусових завад. Запропоновано новий підхід до побудови математичних моделей адитивної суміші RZ-сигналів та негаусових випадкових величин, що базується на використанні моментно-кумулянтного опису статистичних характеристик. Застосування такого підходу дозволяє враховувати відхилення розподілів від гаусової моделі та параметри асиметрії та ексцесу досліджуваного випадкового процесу. Запропоновані моделі створюють теоретичну основу для синтезу ефективних розв’язувальних правил адаптивного виявлення сигналів при функціонуванні автоматизованої ІВС на фоні негаусових завад. У роботі показано, що відношення правдоподібності при перевірці статистичних гіпотез може бути представлене у вигляді поліноміального розв’язувального правила, оптимальні коефіцієнти якого визначаються на основі моментного критерію якості. Проведено адаптацію моментного критерію якості для багатоальтернативної перевірки статистичних гіпотез. На основі адаптованого критерію розроблено методи синтезу нелінійних алгоритмів виявлення сигналів на фоні негаусових завад, які забезпечують підвищення ефективності прийняття рішень у каналах зв’язку ІВС. На основі запропонованих моделей і розроблених методів синтезовано лінійні та нелінійні розв’язувальні правила адаптивного виявлення сигналів, досліджено їх властивості та отримано характеристики ефективності при впливі негаусових завад різних типів. Показано, що використання нелінійної обробки вибіркових значень та врахування статистик вищих порядків негаусових процесів у вигляді коефіцієнтів асиметрії та ексцесу, на відміну від відомих методів, орієнтованих на гаусові моделі завад, забезпечує підвищення ефективності виявлення сигналів. Зокрема, це проявляється у зменшенні значення моментного критерію якості розв’язувального правила та відповідному зменшенні ймовірностей помилок першого і другого роду порівняно з результатами, отриманими для гаусових моделей завад. Запропоновані нелінійні розв’язувальні правила забезпечують підвищення ефективності прийняття рішень у задачах адаптивного виявлення сигналів на фоні негаусових завад у каналах зв’язку ІВС. Представлено розроблені на основі результатів дисертаційного дослідження програмні засоби комп’ютерного моделювання процесів адаптивного виявлення сигналів на фоні негаусових завад у каналах зв’язку ІВС. Реалізацію імітаційної моделі виконано в середовищі Matlab/Simulink, що дозволило побудувати структурну схему каналу зв’язку ІВС з формуванням адитивної суміші RZ-сигналів і негаусової завади та реалізувати алгоритми їх адаптивної обробки. У межах моделі реалізовано формування RZ-сигналів, генерацію негаусових завад, оцінювання статистичних характеристик сигналу та завади, а також реалізацію поліноміальних РП виявлення сигналів. Проведене комп’ютерне моделювання дозволило дослідити ефективність синтезованих алгоритмів та підтвердити доцільність використання нелінійних поліноміальних РП для підвищення ефективності виявлення сигналів на фоні негаусових завад у каналах зв’язку ІВС. Автором розроблено програмний комплекс, структура та набір модулів якого забезпечують комп’ютерне моделювання процесів виявлення сигналів при адитивній взаємодії RZ-сигналів та негаусових завад різних типів. Ефективність програмних модулів підтверджено шляхом проведення обчислювальних експериментів. На модельних прикладах виконано апробацію розроблених програмних засобів та досліджено ефективність застосування синтезованих алгоритмів виявлення сигналів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у створенні математичних моделей адитивної суміші RZ-сигналів та негаусових випадкових величин, методів математичного моделювання процесів обробки сигналів в ІВС на основі моментно-кумулянтного представлення статистичних характеристик випадкових процесів та розробки адаптованого моментного критерію якості багатоальтернативної перевірки статистичних гіпотез, які на відміну від існуючих підходів дозволяють забезпечити адекватний опис негаусових завад та підвищити точність процесів обробки сигналів в автоматизованих інформаційно-вимірювальних системах. Практична значущість отриманих результатів полягає у можливості використання розроблених математичних моделей, методів та алгоритмів для підвищення ефективності виявлення сигналів у каналах зв’язку ІВС при функціонуванні на фоні негаусових завад. Запропоновані адаптивні поліноміальні РП можуть бути використані при розробці алгоритмічного забезпечення систем обробки сигналів. Розроблений програмний комплекс комп’ютерного моделювання, реалізований у середовищі Matlab/Simulink, дозволяє досліджувати ефективність алгоритмів адаптивного виявлення RZ-сигналів та може застосовуватися для проектування і дослідження ІВС, що працюють в складних завадових умовах.; The dissertation solves the scientific and technical problem of increasing the efficiency of bipolar discrete RZ-signal detection systems in information-measurement systems (IMS) under additive interaction with non-Gaussian noise. This is achieved through the implementation of moment-cumulant models of the investigated random variables and the synthesis of adaptive polynomial decision rules, which are optimal according to the adapted moment quality criterion for testing statistical hypotheses. This ensures high noise immunity of communication channels under conditions of a priori uncertainty regarding the type and parameters of the noise distribution law. The results obtained were used in the development of methods and algorithms for statistical signal processing and software tools for computer modeling of IMS functioning processes in non-Gaussian noise. The work notes that the application of traditional approaches to the research and development of signal processing systems in IMS has several limitations related to the complexity of algorithmic implementation and significant requirements for computational resources. This complicates the construction of effective software and algorithmic tools for statistical signal processing in IMS communication channels. Additional difficulties arise when noise is non-Gaussian in nature, which leads to a deviation of its statistical characteristics from the classical Gaussian model. Under such conditions, traditional signal processing methods based on the use of Gaussian probability density functions and corresponding probabilistic quality criteria lose their effectiveness or require significant complication of implementation algorithms. This necessitates the use of alternative approaches to the statistical description of random processes and the synthesis of decision rules for signal detection tasks in IMS. Modern research shows that to solve signal processing problems in non-Gaussian noise, an approach based on the moment-cumulant description of random variables is promising. This approach involves using moments and cumulants to describe the statistical properties of the investigated processes and allows for adequately accounting for the deviations of their distributions from the Gaussian model. The use of moment-cumulant representation provides the possibility of effective statistical description of non-Gaussian processes and creates the preconditions for constructing signal detection algorithms under their additive interaction with noise in IMS communication channels. This allows for the formation of effective decision rules (DR) for signal detection tasks in non-Gaussian noise. A new approach is proposed for constructing mathematical models of the additive mixture of RZ-signals and non-Gaussian random variables, based on the use of moment-cumulant description of statistical characteristics. The application of such an approach allows for accounting for the deviations of distributions from the Gaussian model as well as the skewness and kurtosis parameters of the investigated random process. The proposed models create a theoretical basis for the synthesis of effective decision rules for adaptive signal detection during the operation of an automated IMS in non-Gaussian noise. The work shows that the likelihood ratio in statistical hypothesis testing can be represented as a polynomial decision rule, the optimal coefficients of which are determined based on the moment quality criterion. The moment quality criterion has been adapted for multialternative statistical hypothesis testing. Based on the adapted criterion, methods have been developed for the synthesis of nonlinear signal detection algorithms in non-Gaussian noise, which provide an increase in the efficiency of decision-making in IMS communication channels. Based on the proposed models and developed methods, linear and nonlinear decision rules for adaptive signal detection have been synthesized, their properties investigated, and efficiency characteristics obtained under the influence of various types of non-Gaussian noise. It is shown that the use of nonlinear processing of sampled values and the inclusion of higher-order statistics of non-Gaussian processes in the form of skewness and kurtosis coefficients, unlike known methods oriented toward Gaussian noise models, ensures an increase in signal detection efficiency. In particular, this is manifested in a decrease in the value of the moment quality criterion of the decision rule and a corresponding reduction in the probabilities of type I and type II errors compared to the results obtained for Gaussian noise models. The proposed nonlinear decision rules provide an increase in the efficiency of decision-making in tasks of adaptive signal detection in non-Gaussian noise within IMS communication channels. The software tools for computer modeling of adaptive signal detection processes in non-Gaussian noise within IMS communication channels, developed based on the dissertation research results, are presented. The implementation of the simulation model was carried out in the Matlab/Simulink environment, which allowed for the construction of a block diagram of the IMS communication channel with the formation of an additive mixture of RZ-signals and non-Gaussian noise, and the implementation of algorithms for their adaptive processing. Within the model, the formation of RZ-signals, generation of non-Gaussian noise, estimation of the statistical characteristics of the signal and noise, as well as the implementation of polynomial DRs for signal detection, are realized. The conducted computer modeling allowed for investigating the efficiency of the synthesized algorithms and confirming the feasibility of using nonlinear polynomial DRs to increase signal detection efficiency in non-Gaussian noise within IMS communication channels. The author has developed a software package whose structure and set of modules provide computer modeling of signal detection processes under the additive interaction of RZ-signals and various types of non-Gaussian noise. The effectiveness of the software modules has been confirmed through computational experiments. The developed software tools were tested on model examples, and the efficiency of the synthesized signal detection algorithms was investigated. The scientific novelty of the dissertation research lies in the creation of mathematical models for the additive mixture of RZ-signals and non-Gaussian random variables, methods for mathematical modeling of signal processing in IMS based on the moment-cumulant representation of the statistical characteristics of random processes, and the development of an adapted moment quality criterion for multialternative statistical hypothesis testing. Unlike existing approaches, these allow for an adequate description of non-Gaussian noise and increase the accuracy of signal processing in automated information-measurement systems. The practical significance of the results obtained lies in the possibility of using the developed mathematical models, methods, and algorithms to increase the efficiency of signal detection in IMS communication channels when operating in non-Gaussian noise. The proposed adaptive polynomial DRs can be used in the development of algorithmic software for signal processing systems. The developed software package for computer modeling, implemented in the Matlab/Simulink environment, allows for investigating the efficiency of adaptive RZ-signal detection algorithms and can be applied to the design and research of IMS operating in complex noise conditions.

Інформаційно-вимірювальна система для дослідження низькоінтенсивних електричних полів

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Інформаційно-вимірювальна система для дослідження низькоінтенсивних електричних полів Authors: Тичков, Дмитро Володимирович Abstract: Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі високоточного вимірювання силових та енергетичних характеристик електричних полів надмалої інтенсивності, що виникають в мікроелектронних пристроях, з можливістю отримання та візуалізації просторово-часового розподілу цих характеристик. У вступі наведено загальну характеристику дисертаційного дослідження, його актуальність, відповідність науковим темам; визначено наукову новизну та практичне значення результатів дисертації, а також предмет та об’єкт дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження. Перший розділ роботи присвячений огляду літератури, наукових робіт та джерел відкритого доступу, джерел мережі Internet, що стосуються сучасних методів та практичних засобів визначення та дослідження електричних полів надмалої (Е < 50 мВ/м) інтенсивності. Проаналізовані основні характеристики (розподіл електричного заряду, напруженість електричного поля, електричні ємність та потенціал), причини виникнення і розповсюдження таких електричних полів, а також механізми впливу електричних полів надмалої інтенсивності на поверхні матеріалів різної електричної провідності. Встановлено найперспективніший метод визначення характеристик точкових електричних зарядів і електричних полів, який обрано в якості базового в науковому дослідженні, а саме: метод вимірювання трьох складових, що дозволяє з більш високою точністю та швидкістю визначати просторовий розподіл основних силових та енергетичних характеристик. Досліджено основний математичний апарат та комп‘ютерні засоби розрахунку електричних полів, що базуються на аналітичних та чисельних методах, а також програмні засоби, які ці методи використовують. Проведено оціночний аналіз сучасних методів і засобів, що можуть використовуватися як базові для розроблення інформаційно-вимірювальної системи дослідження низькоінтенсивних електричних полів. У результаті аналізу було обрано такий метод нанометричних досліджень, як атомно-силову мікроскопію, яка є перспективною для вивчення надмалих електричних полів завдяки високій чутливості та роздільній здатності. Застосування цього методу дозволяє проводити точні вимірювання на нанорівні, що є ключовим для отримання надійних даних у досліджуваній галузі. Також в розділі обрано напрямок дисертаційного дослідження та сформовані основні задачі наукової роботи. У другому розділі проводиться аналітичне моделювання статичних та квазістатичних низькоінтенсивних електричних полів. В основі такої аналітичної моделі знаходяться рівняння Лапласа, в яких ураховуються зовнішні умови (температура, вологість і електромеханічна взаємодія), а також їхні просторові зміни. Необхідність моделювання зумовлена складністю та поганою вивченістю фізичних процесів, які мають місце на поверхнях різних за провідністю матеріалів, потребою в контролі та управлінні розподілом зарядів у мікроелектронних схемах під час їхнього виготовлення та функціонування, а також складністю дослідження електричних полів на малих ділянках (менше 10 мкм). Розроблене програмне забезпечення на Python 3.10, основою якого є запропонована аналітична модель, забезпечує визначення параметрів електричних полів у режимі реального часу з максимальною похибкою не більше 7,15%. Це дозволяє задавати безпечні діапазони напруженості та ємності електричних полів і мінімізувати ризик електричного пробою. Крім того, у цьому розділі встановлено, що отримані математичні залежності дозволяють ідентифікувати критичні параметри електричних полів, які можуть призвести до пошкодження компонентів мікроелектронних пристроїв. У третьому розділі розроблено метод вимірювання характеристик статичних і квазістатичних електричних полів надмалої інтенсивності, що базується на принципах скануючої електростатичної силової мікроскопії. Запропонований метод забезпечує просторову роздільну здатність на рівні 1–5 нм, часову роздільну здатність до 0,05-0,2 мс, та точність – до 97,5%. Створено поліелектродний сенсор, виготовлений за технологією комбінованого електронно-променевого модифікування кварцової основи з нанесенням золотих (Au999) електродів, що забезпечує мінімізацію шумів та паразитних ефектів. Проведене калібрування сенсора та побудована його градуйовану характеристику, яка демонструє лінійну залежність ємності (в межах 1 – 46,5 пФ) від прикладеного заряду. Розроблена інформаційно-вимірювальна система включає програмне забезпечення для автоматизації процесів калібрування, моніторингу параметрів середовища та візуалізації результатів. Система характеризується високою стабільністю (0,4%), низькою похибкою (1%) та високою чутливістю – 2 В/(В/м). Порівняльний аналіз показав переваги запропонованого підходу над традиційними підходами, такими як зонд Кельвіна та двопрохідне сканування, за точністю, чутливістію та часовою роздільною здатністю. В четвертому розділі наведено результати впливу зовнішніх факторів на точність і надійність експериментальних досліджень низькоінтенсивних електричних полів. Проведено оцінку впливу температури, вологості, електромеханічного навантаження та електромагнітних завад на силові та енергетичні характеристики таких полів, що дало змогу визначити оптимальні умови для мінімізації похибок вимірювань. Розв'язана задача прогнозного моніторингу просторово-часового стану квазістатичного електричного поля мікроелектронного пристрою, що дозволило знизити похибку визначення часу до пробою на 3,5-4,2% та підвищити відтворюваність на 79-82%. Для цього проведене регресійне моделювання в середовищі Statistica Data Miner, де проаналізовано адекватність і точність отриманих моделей, обрано найкращі варіанти для прогнозування та виконано їх розгортання на нових даних. Показано, що розроблена інформаційно-вимірювальна система забезпечує високоточне визначення характеристик низькоінтенсивних електричних полів за умов температури 20–25 °C, відносної вологості 30–50%, механічного навантаження 0,22 Н та мінімізації електромагнітних завад. Середня квадратична похибка вимірювань у таких умовах не перевищує 34 мВ/м, а імовірність безвідмовної роботи становить не менше ніж 0,945. Експериментально підтверджено стабільність і відтворюваність результатів вимірювань, що демонструється низьким стандартним відхиленням (0,056 В/м) між серіями вимірювань у двох лабораторіях. Окрім того, у розділі наведені дані щодо впровадження результатів дисертаційного дослідження у навчальний процес та окремі галузі науки і техніки, пов‘язані з розробленням інформаційно-вимірювальної системи для дослідження електричних полів надмалої інтенсивності. Наукова новизна одержаних результатів: – вперше запропоновано метод виявлення кризових ділянок на робочій поверхні мікросистемного пристрою, який полягає у визначенні розподілу силових та енергетичних характеристик електричних полів та розташуванні зон із критичними значеннями цих параметрів і, який, на відміну від відомих підходів, застосовує багаторазове сканування робочої поверхні, що дає змогу оцінити не лише факт утворення кризових ділянок, але й динаміку їх розвитку; – удосконалено математичну модель розподілу електричних полів надмалої інтенсивності, яка ґрунтується на розв’язанні системи диференційних рівнянь Лапласа, шляом врахування змін параметрів полів, їх просторових розмірів та впливу зовнішніх факторів (температури, відносної вологості, електромеханічного впливу), чим забезпечується можливість уникати електричного пробою, уточнивши розподіл полів цього типу і визначаючи діапазон безпечної зміни енергетичних характеристик на малих ділянках поверхонь компонентів пристроїв мікросистемної техніки; – вперше запропоновано метод побудови вимірювального сенсору, який заключається у використанні електронно-променевого модифікування поверхні кварцової основи та формування на ній металевих електродів, яке на відміну від існуючих, використовує для формування електродів вакуумне середовище та забезпечує стабільний розподіл теплових полів, що дозволяє уникнути мікротріщин та збільшити термін безвідмовної експлуатації сенсору; – вперше розв'язана задача прогнозного моніторингу просторово-часового стану квазістатичного електричного поля мікроелектронного пристрою, яка заключається у екстраполяції закономірності зміни характеристик цього поля у минулому і застосуванні цієї закономірності для визначення цього показника у майбутньому, яка, на відміну від існуючих вперше використовує цей метод для розв'язання нової задачі прогнозування місця та часу пробою, що дозволяє підвищити точність прогнозів. Практичне значення одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні вирішено важливе науково-практичне питання підвищення точності та повторюваності вимірювання і контролю енергетичних та силових характеристик низькоінтенсивних електричних полів мікроелектронних пристроїв, а також проведення просторово-часової візуалізації їх розподілу з урахуванням динаміки зміни та впливу зовнішніх факторів. Практична цінність отриманих результатів полягає у наступному: - створено алгоритм та програмно реалізовано математичну модель, яка з достатньою точністю і в режимі реального часу дозволяє визначати розподіл силових та енергетичних характеристик електричних полів надмалої інтенсивності з урахуванням їх динаміки, просторових розмірів та впливу зовнішніх факторів; - розроблено інформаційно-вимірювальну систему на базі атомно-силового мікроскопа для дослідження електричних полів низької інтенсивності, що виникають при функціонуванні мікроелектронних пристроів, що дозволяє підвищити точність та повторюваність визначення відповідних характеристик. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, математичні моделі низькоінтенсивних електричних полів, а також розроблене методичне та інформаційно-вимірювальне забезпечення впроваджені у практику (підтверджено актами впровадження) на таких підприємствах України, як: ПрАТ «Укрп’єзо», ПП «Сенсорна електроніка», МНВП ТОВ «Лілея». Основні положення дисертації використано у навчальних курсах кафедри приладобудування, мехатроніки та комп‘ютеризованих технологій Черкаського державного технологічного університету з дисциплін "Фізичні процеси у приладах та системах", "Основи електротехніки, електроніки та мікросхемотехніки", "Проєктування інформаційно-вимірювальних систем", "Методи підвищення метрологічних характеристик приладів контролю та визначення параметрів об'єктів". Також результати дисертації впроваджено у викладання на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського“ у межах дисциплін "Комп’ютерне моделювання процесів і систем", "Перетворювачі фізичних величин", "Інформаційні технології та інформаційна безпека". The dissertation addresses the scientific problem of high-precision measurement of force and energy characteristics of ultra-low-intensity electric fields arising in microelectronic devices, with the capability to obtain and visualize their spatiotemporal distributions. The Introduction presents a general overview, the relevance to current scientific themes, the research object and subject, the goal and tasks, as well as the scientific novelty and practical significance of the results. Chapter 1 surveys literature and open sources (including Internet resources) on modern methods and instrumentation for determining and studying very low-intensity electric fields (E<50 mV/m). It analyzes key characteristics (charge distribution, electric-field strength, capacitance, and potential), mechanisms of generation and propagation of such fields, and their interaction with surfaces of different electrical conductivity. The review identifies the three-component measurement method as the most promising baseline approach for this research, enabling higher accuracy and speed in reconstructing spatial distributions of the main force and energy characteristics. The chapter discusses the mathematical apparatus and computational tools for field calculation (analytical and numerical methods) and the software that implements them. An assessment of contemporary methods and tools suitable as a basis for an information-measurement system is provided. As a result, atomic force microscopy is selected as a nanometric research method particularly suitable for studying ultra-low electric fields owing to its high sensitivity and resolution, enabling precise nanoscale measurements essential for reliable data in the target domain. The research direction and the core tasks of the dissertation are defined accordingly. Chapter 2 presents analytical modeling of static and quasi-static low-intensity electric fields. The model is based on Laplace’s equations with explicit consideration of external conditions (temperature, humidity, and electromechanical interaction) and their spatial variations. Modeling is necessary due to the complexity and limited understanding of the underlying physics on surfaces of materials with different conductivities, the need to control and manage charge distributions in microelectronic circuits during fabrication and operation, and the difficulty of investigating electric fields on very small areas (<10 μm). Software implemented in Python 3.10, based on the proposed analytical model, provides real-time determination of electric-field parameters with a maximum error not exceeding 7.15%. This enables setting safe ranges of field strength and capacitance and minimizing the risk of electrical breakdown. The derived mathematical relationships also allow identification of critical field parameters that may damage microelectronic components. Chapter 3 develops a measurement method for static and quasi-static ultra-low-intensity electric fields grounded in the principles of scanning electrostatic force microscopy. The method attains spatial resolution of 1–5 nm, temporal resolution of 0.05–0.2 ms, and accuracy up to 97.5%. A poly-electrode sensor is designed and fabricated using combined electron-beam modification of a quartz substrate with deposition of gold (Au999) electrodes, which minimizes noise and parasitic effects. Calibration is performed and a graduated characteristic is obtained, demonstrating a linear dependence of capacitance (1–46.5 pF) on the applied charge. The information-measurement system includes software for automating calibration, environmental monitoring, and visualization. It is characterized by high stability (0.4%), low error (1%), and high sensitivity (2 V/(V/m)). Comparative analysis shows advantages over traditional approaches (Kelvin probe, two-pass scanning) in terms of accuracy, sensitivity, and temporal resolution. Chapter 4 investigates the influence of external factors on the accuracy and reliability of experiments with low-intensity electric fields. The effects of temperature, humidity, electromechanical loading, and electromagnetic interference on the force and energy characteristics are assessed, allowing the identification of optimal conditions to minimize measurement errors. The task of predictive monitoring of the spatiotemporal state of a quasi-static electric field in a microelectronic device is solved, reducing the error in time-to-breakdown estimation by 3.5–4.2% and increasing reproducibility by 79–82%. Regression modeling is conducted in Statistica Data Miner, with adequacy and accuracy analyses, selection of the best predictive models, and their deployment to new data. It is shown that the developed information-measurement system ensures high-precision determination of field characteristics under 20–25 °C, 30–50% relative humidity, 0.22 N mechanical load, and minimized electromagnetic interference, with an RMSE ≤ 34 mV/m and a probability of failure-free operation ≥ 0.945. Experimental results confirm stability and reproducibility, evidenced by a low standard deviation (0.056 V/m) across measurement series from two laboratories. The chapter also reports on the implementation of the research results in education and in selected scientific and engineering applications related to the development of the information-measurement system for ultra-low electric fields. Scientific novelty includes: – for the first time, a method for detecting critical regions on the working surface of a microsystem device by determining the distribution of force and energy characteristics of electric fields and locating zones with critical values; unlike known approaches, it employs repeated scanning of the working surface to assess not only the occurrence of critical regions but also the dynamics of their evolution; – an improved mathematical model of ultra-low-intensity electric-field distribution based on Laplace equations that accounts for varying field parameters, spatial scales, and external factors (temperature, relative humidity, electromechanical loading), thereby preventing electrical breakdown by refining the field distribution and defining safe ranges of energy characteristics over small surface areas of microsystem components; – for the first time, a sensor fabrication method employing electron-beam modification of a quartz substrate with metal-electrode formation in vacuum, ensuring a stable thermal-field distribution, avoiding microcracks, and increasing failure-free service life; – for the first time, the task of predictive monitoring of the spatiotemporal state of a quasi-static electric field is solved via extrapolation of past field-evolution patterns to forecast the location and time of breakdown, improving prediction accuracy. Practical significance. The dissertation resolves an important applied problem of enhancing accuracy and repeatability in measurement and control of the energy and force characteristics of low-intensity electric fields in microelectronic devices, along with spatiotemporal visualization of their distributions accounting for dynamics and external influences. The results include: – an algorithm and software implementation of a mathematical model that determines, in real time and with sufficient accuracy, the distribution of force and energy characteristics of ultra-low-intensity electric fields, accounting for dynamics, spatial scale, and external factors; – an information-measurement system based on atomic force microscopy for investigating low-intensity electric fields during device operation, improving accuracy and repeatability of the corresponding characteristics. The theoretical and experimental results, mathematical models, and the methodological and information-measurement tools have been implemented in practice (as confirmed by implementation acts) at Ukrainian enterprises including Private Joint-Stock Company «Ukrpiezo», Private Enterprise «Sensorna Elektronika», and Small Research and Production Enterprise «Lileya Ltd». The main results have been integrated into courses at the Department of Instrumentation, Mechatronics, and Computerized Technologies of Cherkasy State Technological University (e.g., Physical Processes in Instruments and Systems; Fundamentals of Electrical Engineering, Electronics, and Microcircuitry; Design of Information-Measurement Systems; Methods for Improving Metrological Characteristics of Control Instruments and Parameter Identification) and into teaching at the Department of Instrument Production of National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” (e.g., Computer Modeling of Processes and Systems; Transducers of Physical Quantities; Information Technologies and Information Security).

Система вихрострумового вимірювання приповерхневих радіальних профілів електрофізичних характеристик циліндричних об'єктів

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Система вихрострумового вимірювання приповерхневих радіальних профілів електрофізичних характеристик циліндричних об'єктів Authors: Сторчак, Анатолій Вячеславович Abstract: В дисертаційній роботі було розв’язано задачу щодо вимірювання приповерхневих радіальних профілів електрофізичних характеристик циліндричних об’єктів та описано процес створення такої системи вимірювання на основі реалізованої сурогатної моделі процесу вихрострумового контролю і експрес методу з застосуванням дворівневих Lookup tables. Як відомо, в приповерхневих шарах циліндричних металевих деталей в результаті їх термічної чи термохімічної обробки, такої як гартування, азотування, цементація тощо, відбувається зміна мікроструктури матеріалу. Характеристики цього матеріалу: в’язкість, пластичність, твердість та міцність, а також фазовий та хімічний склад мають кореляційні зв’язки з розподілами електричної провідності та магнітної проникності, тобто їх профілями. Тому є доцільним використання прохідних вихрострумових перетворювачів, вимірювання якими, дозволяє в результаті розв’язку оберненої електродинамічної задачі відтворити радіальні профілі електричної провідності та магнітної проникності. У першому розділі подано огляд застосування вже наявних та перспективних для створення нових основних засобів і методів для розв’язку обернених задач. Проаналізовано можливість застосування приведених підходів та методів для вихрострумових вимірювань в контексті теми дисертаційного дослідження. В дослідженні було обрано підхід з застосуванням сурогатних моделей для розв'язку оберненої задачі, тож було зроблено детальний аналіз методів побудови цих моделей. Виділено та наголошено на перевагах евристичних сурогатних моделей на основі штучних нейронних мереж. Такі сурогатні моделі забезпечують високу швидкодію та точність при необхідності апроксимації складних нелінійних функцій з великою кількістю входів. Для створення адекватної сурогатної моделі та наступного розв’язку оберненої задачі є необхідним оптимальний план комп'ютерного експерименту, щоб рівномірно дослідити поверхню відгуку досліджуваної моделі, топологія поверхні відгуку якої апріорі не є відомою. Тож в дисертації було описано приклади таких оптимальних планів, що можна отримати за допомогою квазі-випадкових послідовностей. Плани експерименту, сформовані за такими послідовностями, забезпечують однорідність розподілу і поліпшення точності числових експериментів, що напряму впливає на швидкість та якість створення сурогатних моделей. В другому розділі запропоновано універсальний підхід до створення сурогатної моделі за допомогою глибоких нейронних мереж, що дозволяє відмовитися від ряду ресурсозатратних обчислень з використанням “точної” високовартісної моделі. Запропоновано метод створення однорідних комп'ютерних планів експериментів на основі R послідовностей, що дозволяє реалізувати адекватну багатофакторну сурогатну модель для оригінальної моделі зі складною топографією відгуку та накопиченням апріорної інформації щодо об’єкту контролю. Рекомендовано засоби створення варіантів-кандидатів для розв’язку задачі за допомогою запропонованої сурогатної моделі. Створено новий багатопараметровий експрес-метод вихрострумового вимірювання радіальних приповерхневих профілів електрофізичних параметрів циліндричних об’єктів контролю в реальному масштабі часу. Третій розділ включає в себе опис розробленого алгоритмічного та програмного забезпечення для моделювання та реалізації процесу вимірювання профілів електрофізичних характеристик приповерхневого матеріалу циліндричних об’єктів контролю. Показано результати обчислень за обраною “точною” аналітичною моделлю при верифікації порівнянням з числовим методом скінченних елементів (COMSOL Multiphysics) та двома іншими спрощеними аналітичними моделями. Комп'ютерна модель вихрострумового контролю циліндричних об’єктів була реалізована на мові програмування Python 3. Приведено приклади створення однорідних комп'ютерних планів експериментів на R послідовностях для дво-, трьо- і чотиривимірних наборів з 5000 точками. Значення центрованої розбіжності такого плану експерименту складало 2,84993Е-07 та циклічної розбіжності становило 3,55556. Запропоновано метод створення вибірок для планів експериментів зі зміною профілів електрофізичних характеристик в приповерхневому шарі об’єкту контролю при апроксимації такої зміни відповідно до різних форм функціональних залежностей. В середовищі програмування Python 3 створена сурогатна модель на основі глибоких нейронних мереж з використанням відкритої бібліотеки Keras (Tensorflow backend). При перевірці сурогатних моделей на адекватність значення коефіцієнту детермінації $R^2$ становило 0.999578 та 0.9997864, а $ \text{MAPE} $ дорівнювало 0,039814\% і 0,026852\% для дійсної та уявної складових напруги відповідно. Завдяки своїм узагальнюючим властивостям та здатністю бути носієм апріорної інформації про процес контролю, нейромережі є засобами апроксимації з прийнятною точністю, що значно заощаджують час в отриманні результату і підвищують якість подальших експериментів в дослідженнях. Показано приклад застосування дворівневих Lookup tables для розв’язку оберненої вимірювальної задачі визначення профілів. Описано алгоритм формування динамічної таблиці другого рівня з уточненими значеннями. Обчислювальна технологія розв’язку оберненої вимірювальної задачі продемонстрована на конкретному прикладі, проте є можливим застосування такого підходу з іншими планами експерименту, іншими функціями апроксимації електрофізичних параметрів та іншими сурогатними моделями й таблицями пошуку. Математично цей метод оснований на винятковій здатності швидкого розв’язку рівнянь Максвела без фактичного явного виконання такого розв’язку завдяки апроксимації глибокими нейронними мережами точної моделі вихрострумового контролю та використання таблиць пошуку для швидкого визначення профілів електричної провідності та магнітної проникності. Четвертий розділ присвячений опису апаратної частини приладу для вихрострумових вимірювань та особливостям використання методу Lookup tables з застосуванням динамічної таблиці другого рівня як засобу розв’язку оберненої задачі визначення радіальних профілів електричної провідності та магнітної проникності циліндричних об’єктів контролю. Приведено варіанти схемотехнічних рішень і описано особливості створення спеціалізованого вихрострумового структуроскопа для визначення електрофізичних характеристик об’єктів контролю. А також описано приклади використання алгоритму розв’язку оберненої вимірювальної задачі з застосуванням Lookup tables. В процесі виконання поставлених завдань одержано наступні результати: - вперше розроблено експрес-метод вимірювання радіальних приповерхневих профілів електричної провідності та магнітної проникності в об’єктах циліндричної форми, який відрізняється тим, що при застосуванні технології Lookup tables для швидкого пошуку цих розподілів по результатам однократного вимірювання прохідним вихрострумовим перетворювачем системи контролю використовується додатково додана згенерована динамічним способом із застосуванням високопродуктивної сурогатної моделі з апріорним накопиченням інформації таблиця другого рівня, що дозволило забезпечити одночасне сумісне визначення профілів у реальному масштабі часу із більш високою чим у первинній LUT-таблиці точністю реконструкції профілів; - вперше виконано обґрунтування та розроблення низки комп’ютерних однорідних планів експериментів, які відрізняються їх створенням на основі квазівипадкових R-послідовностей Робертса та введенням в них додаткової надлишкової апріорної інформації щодо врахування кожного окремо та всієї сукупності разом найбільш вагомих для формування сигналу вихрострумового перетворювача факторів, що дозволило завдяки покращеної об’ємної гомогенності планів та всіх їх 2D-проєкцій із гарантовано низькими показниками центрованої та циклічної розбіжностей забезпечити, окрім створення максимально сприятливих умов для точної побудови нейромережевої сурогатної моделі, завчасне накопичення в них в числовому вигляді вичерпної інформації щодо прозорого відображення в моделі прихованих закономірностей, притаманних процесу вихрострумового вимірювання; - вперше створено метод побудови сурогатної моделі процесу вихрострумового контролю циліндричних об’єктів прохідними трансформаторними перетворювачами, який відрізняється реалізацією її на основі двох дійснозначних повнозв’язних глибоких нейронних мереж із загальними входами та роздільними виходами окремо для дійсної та уявної частин ЕРС перетворювача, тобто результатом розщеплення однієї комплексозначної нейромережі, та виконанням нею також функцій носія і накопичувача апріорної інформації, що дало можливість, окрім високоточної апроксимації електродинамічної моделі, фактично внаслідок швидкого розв’язку рівнянь Максвела, причому без явної інформації щодо них та методах їх розв’язання, з високою обчислювальною продуктивністю в реальному масштабі часу динамічно створювати таблиці другого рівня в методі Lookup tables для забезпечення необхідної точності відтворення профілів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень дисертації впроваджені в навчальних процесах кафедри приладобудування, мехатроніки та комп’ютеризованих технологій Черкаського державного технологічного університету; кафедри виробництва приладів приладобудівного факультету НТУУ “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”. Вони також використовуються у діяльності промислових підприємств ТОВ “АРМАНД ТРЕЙД” (м. Черкаси); АТ “УКРЗАЛІЗНИЦЯ”, служба вагонного господарства, виробничий підрозділ “ЕКСПЛУАТАЦІЙНЕ ВАГОННЕ ДЕПО ЗНАМ’ЯНКА” (м. Знам’янка, Кіровоградська область), про що свідчать відповідні акти впровадження. The dissertation solves the problem of measuring the subsurface radial profiles of the electrophysical properties of cylindrical objects and describes the process of creating such a measurement system based on the implemented surrogate model of the eddy current testing process and the express method using two-level Lookup tables. It is known that the surface layers of cylindrical metal parts undergo changes in the microstructure of the material as a result of thermal or thermochemical treatment, such as quenching, nitriding, cementation, etc.The characteristics of this material: viscosity, flexibility, hardness, and strength, as well as phase and chemical composition, are correlated with the distributions of electrical conductivity and magnetic permeability, i.e., their profiles. Therefore, it is advisable to use encircling eddy-current probes, whose measurements allow us to reproduce the radial profiles of electrical conductivity and magnetic permeability as a result of solving the inverse electrodynamic problem. The first section provides an overview of the use of existing and promising tools and methods for solving inverse problems. The possibility of applying the above approaches and methods for eddy current measuring in the context of the topic of the dissertation is analyzed. The study chose the approach of using surrogate models to solve the inverse problem, so a detailed analysis of the methods of building these models was made. The advantages of heuristic surrogate models based on artificial neural networks are highlighted and emphasized. Such surrogate models provide high performance and accuracy when it is necessary to approximate complex nonlinear functions with numerous inputs. In order to create an adequate surrogate model and subsequently solve the inverse problem, an optimal computer design of experiment is required to uniformly investigate the response surface of the model under study, the topology of which is not known apriori. Therefore, this dissertation describes examples of such optimal designs that can be obtained using quasi-random sequences. Designs of experiments based on such sequences ensure uniformity of distribution and improve the accuracy of numerical experiments, which directly affects the speed and quality of surrogate model creation. The second section proposes a universal approach to creating a surrogate model using deep neural networks, which allows to abandon a number of resource-intensive computations using an “exact” expensive model. A method of creating uniform computer designs of experiments based on R sequences is proposed, which allows to implement an adequate multifactorial surrogate model for the original model with a complex response topography and accumulation of apriori information about the test object. The means of creating candidate-variants for solving the problem using the proposed surrogate model are recommended. A new multiparameter express-method of eddy current measurement of radial subsurface profiles of electrophysical properties of cylindrical test objects in real time has been developed. The third section includes a description of the developed algorithmic and software for modeling and implementing the process of measuring the profiles of electrophysical properties of the subsurface material of cylindrical test objects. The results of computations using the selected “exact” analytical model are shown in comparison with numerical finite element method (COMSOL Multiphysics) and two other simplified analytical models. The computer model of eddy current testing of cylindrical objects was implemented in the Python 3 programming language. Examples of creating uniform computer designs of experiments on R sequences for two-, three-, and four-dimensional sets with 5000 points are given. The value of the centered discrepancy of this experimental design was 2.84993E-07 and the wrap-around discrepancy was 3.55556. A method is proposed for creating samples for designs of experiments with changes in the profiles of electrophysical characteristics in the subsurface layer of the test object when such changes are approximated according to various forms of functional dependencies. A surrogate model based on deep neural networks was created in the Python 3 programming environment using the open source Keras library (Tensorflow backend). Checking the surrogate models for adequacy, the values of the determination coefficient $R^2$ were 0.999578 and 0.9997864, and the $\text{MAPE}$ was 0.039814\% and 0.026852\% for the real and imaginary components of the voltage, respectively. Due to their generalizing properties and the ability to be a carrier of apriori information about the testing process, neural networks are approximation tools with acceptable accuracy that significantly save time in obtaining results and improve the quality of further experiments in research. An example of using two-level Lookup tables to solve the inverse measurement problem of determining profiles is shown. The algorithm for forming a dynamic table of the second level with updated values is described. The computational technology for solving the inverse measurement problem is demonstrated on a specific example, but it is possible to apply this approach with other designs of experiment, other functions for approximating electrophysical parameters, and other surrogate models and lookup tables.Mathematically, this method is based on the exceptional ability to quickly solve Maxwell's equations without actually explicitly performing such a solution due to the approximation of exact eddy current testing model by deep neural networks and the use of lookup tables to quickly determine the profiles of electrical conductivity and magnetic permeability. The fourth chapter is devoted to the description of the hardware of the eddy current measurement device and the peculiarities of using the Lookup tables method with the use of a dynamic table of the second level as a means of solving the inverse problem of determining the radial profiles of electrical conductivity and magnetic permeability of cylindrical test objects. Variants of schematic solutions are presented and the peculiarities of creating a specialized eddy current structuroscope for determining the electrophysical properties of the test objects are described. Examples of using the algorithm for solving an inverse measurement problem based on Lookup tables are also described. The following results were obtained in the course of fulfilling the tasks set: - first developed an express-method for measuring radial subsurface profiles of electrical conductivity and magnetic permeability in cylindrical objects, which differs in that when using Lookup tables technology to rapidly search for these distributions based on the results of a single measurement by a encircling eddy current probe of the test system, an additional second-level table generated dynamically using a high-performance surrogate model with apriori information accumulation is used, which allowed for simultaneous joint determination of profiles in real time with higher profile reconstruction accuracy than in the primary LUT table; - first a number of computer uniform design of experiments were substantiated and developed, which are distinguished by their creation on the basis of quasi-random Roberts R-sequences and the inclusion of additional excessive a priori information to take into account each individually and the entire set of factors that are most important for the formation of the eddy current probe signal, which made it possible, due to the improved volumetric homogeneity of the DOE and all their 2D projections with guaranteed low indicators of centered and wrap-around discrepancy, to ensure, in addition to creating the most favorable conditions for the accurate construction of a neural network surrogate model, to pre-storage comprehensive information in the numerical form to transparent display in the model hidden patterns inherent of the eddy current measurement process; - first developed a method for constructing a surrogate model of the process of eddy current testing of cylindrical objects by encircling transformer probes, which is characterized by its implementation on the basis of two real-valued fully connected deep neural networks with common inputs and separate outputs for the real and imaginary parts of the probe EMF, i.e., the result of splitting one complex-valued neural network, and performing the functions of a carrier and accumulator of a priori information, which made it possible, in addition to a highly accurate approximation of the electrodynamic model, in fact, due to the rapid solution of Maxwell's equations, without explicit information about them and methods of their solution, to dynamically create second-level tables in the Lookup tables method with high computational performance in real time to ensure the required accuracy of profiles reproduction. The results of the theoretical and experimental research of the dissertation are implemented in the educational processes of the Department of Instrumentation, Mechatronics and Computerized Technologies of Cherkasy State Technological University; Department of Instrumentation Production of the Faculty of Instrumentation of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. They are also used in the activities of industrial enterprises LLC «ARMAND TRADE» (Cherkasy); JSC «Ukrzaliznytsia», carriage service, production unit «Znamenka Operational Carriage Depot» (Znamenka, Kirovohrad region), as evidenced by the relevant implementation acts.