Дисертації (ЦТЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Геометричне моделювання деформації об’єкта політочковими перетвореннями на основі паралельних обчислень(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Городецький, Микола Вадимович; Сидоренко, Юлія ВсеволодівнаГородецький М.В. Геометричне моделювання деформації об’єкта політочковими перетвореннями на основі паралельних обчислень. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп’ютерні науки». — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційне дослідження присвячене розв'язанню науково-прикладної проблеми геометричного моделювання нелінійних деформацій двовимірних та тривимірних об’єктів шляхом розвитку методу політочкових перетворень та реалізації високоефективних паралельних алгоритмів на гетерогенних обчислювальних системах. У цифрову епоху, коли фізична реальність дедалі тісніше переплітається з віртуальними моделями, адитивним виробництвом та концепціями Індустрії 4.0, геометричне моделювання стало фундаментальною основою авіакосмічної промисловості, біомедичної інженерії та систем віртуальної реальності. Проте фундаментальна проблема ефективної та точної деформації складних тривимірних об’єктів залишається відкритою. Існуючі методи часто досягають межі обчислювальних можливостей обладнання і виділеного бюджету на нього, коли зіштовхуються з викликами топологічної складності сучасних біонічних форм та вимогами до реального часу обробки масивів даних. Дослідження пропонує удосконалений підхід, що долає розрив між жорсткістю класичних параметричних підходів та непередбачуваністю нейромережевих методів, використовуючи потенціал сучасних архітектур паралельних обчислень. Актуальність дисертаційного дослідження, присвяченого розвитку методу політочкових перетворень, зумовлена необхідністю подолання розриву між жорсткістю класичних параметричних підходів та непередбачуваністю сучасних нейромережевих методів. Дослідження пропонує удосконалений погляд на проблему деформації простору, базуючись на критичному аналізі недоліків існуючих рішень та використовуючи потенціал сучасних архітектур паралельних обчислень. Доцільність роботи підтверджується нагальною потребою у створенні вітчизняних алгоритмічних ядер геометричного моделювання, здатних забезпечити незалежність та конкурентоспроможність у стратегічно важливих галузях науки та виробництва. Метою дослідження є розробка способів та алгоритмів політочкових перетворень для моделювання нелінійних деформацій двовимірних і тривимірних об'єктів з використанням гетерогенних обчислювальних систем. Об’єктом дослідження є процеси геометричного моделювання деформацій дво- і тривимірних об’єктів. У роботі проаналізовано сучасні методи деформації геометричних об’єктів, такі як: нейронні імпліцитні підходи: NeRF, Гаусовий сплаттінг, фізично обґрунтовані методи: метод скінчених елементів, модель мас‑пружинної системи, системи частинок, а також геометрично деформативні та інтерполяційні методи: політканинні перетворення, політочкові перетворення, побудова інтерполяційних векторних полів та симплексна інтерполяція. Встановлено, що нейронні імпліцитні методи відкривають нові можливості для процесінгу в режимі реального часу, але мають значні обчислювальні витрати та обмеження у збереженні топології, фізично обґрунтовані підходи забезпечують високу точність, але обмежені продуктивністю в реальному часі, тоді як геометрично деформативні методи дають керованість і адаптивність. Метод політочкових перетворень забезпечує низку вагомих переваг серед інших підходів: його базисом є скінченна множина контрольних точок, що дозволяє ефективно керувати деформацією цілого об’єкта, а математичний апарат зводиться до систем лінійних рівнянь, роблячи розрахунки простими й прозорими на відміну від «чорного ящика» нейронних методів. Цей апарат є природно паралельним і добре підходить для реалізації на багатоядерних та гетерогенних архітектурах, однак у вигляді послідовної реалізації на трикутникових сітках із мільйонами трикутників метод стає надто повільним, що й мотивувало розробку нових способів задання геометрії об’єкта та спеціалізованих схем паралелізації обчислень. На основі цього обґрунтовано використання методу політочкових перетворень як базового інструментарію, що має високий потенціал до паралелізації та точності. Для моделювання двовимірних об'єктів розроблено формалізований полігональний спосіб задання вихідної геометрії. Замість ресурсоємного відслідковування перетинів прямих для кожної точки, об’єкт подається у вигляді ланцюжка відрізків, що утворюють полігон. Це удосконалило спосіб задання геометричного об’єкта при двовимірних політочкових перетвореннях за рахунок введення стека для відслідковування входження прямих при відображенні заданої ламаної, що зберігає топологічну цілісність об’єкта. Експериментально показано, що залежність між кутом твірних прямих у вершині та зміщенням точки має майже лінійний характер без осциляцій, що підтверджує стабільність методу. Щоб з’єднати точки в цілісний об’єкт після деформації, запропоновано застосувати модифікований метод параметричної інтерполяції Гауса. Його вдосконалено завдяки адаптації варіативного параметра до форми кривої на кожному кроці, що дозволило суттєво (у понад 13 разів для тестових функцій) зменшити похибку інтерполяції. У тривимірному просторі вирішено ключову проблему втрати однозначності під час трансформації вершин трикутникової сітки. Вперше запропоновано спосіб представлення 3D-об’єкта, заданого трикутниковою сіткою на основі площин, що перетинаються, який дозволяє зберігати цілісність об’єкта після полiточкових перетворень. Проведено порівняльний аналіз трьох способів задання геометрії об'єкта. Встановлено, що метод представлення вершини як точки перетину площин дотичних трикутників забезпечує найкраще співвідношення між точністю реконструкції геометрії та обчислювальною ефективністю. Для розв'язання перевизначених систем лінійних алгебричних рівнянь, що виникають при перетині більше ніж трьох площин, застосовано метод найменших квадратів та псевдоінверсну матрицю Мура-Пенроуза. Виявлено проблему чисельної нестійкості у вироджених конфігураціях трикутникової сітки, для розв'язання якої успішно застосовано метод регуляризації Тихонова з експериментально обґрунтованим оптимальним параметром 10− = . Для забезпечення роботи алгоритмів у реальному часі з масивами даних до 80 млн полігонів обґрунтовано та реалізовано методи інженерного масштабування у гетерогенному середовищі. Встановлено, що продуктивність багатопотокових реалізацій на центральних процесорах обмежується архітектурою неоднорідного доступу до пам'яті. Розроблена NUMA-орієнтована стратегія з використанням OpenMP, яка дозволила прискорити виконання на 15–30% порівняно з базовою реалізацією. Подальше радикальне прискорення досягнуто шляхом розробки масовопаралельного алгоритму для графічних процесорів на базі архітектури CUDA. Застосовано концепцію «одна площина — один потік» та проведено глибоку оптимізацію на мікроархітектурному рівні: заміну високолатентних операцій подвійної точності на апаратні інструкції, зниження тиску на регістрову пам'ять та впровадження кешування масиву базисних точок у спільній пам'яті стрімінгового мультипроцесора. Це дозволило переорієнтувати задачу з тієї, що обмежена пропускною здатністю пам'яті, на таку, що обмежена швидкістю обчислень, і досягти прискорення у ~14.8 раза відносно послідовного виконання на ЦП та у 2.11 раза відносно оптимізованого 192-ядерного кластера. Практичного впровадження результати дисертаційного дослідження набули в ТОВ «БІ-ХАБ», де розроблене розширення для системи моделювання Blender застосовувалося для високоточної 3D-візуалізації банківських платіжних карток із відтворенням оптичних спецефектів. Отримані візуалізаційні результати використовувалися як еталонні 3D-моделі для виробництва. Загалом, результати апробації свідчать про практичну придатність запропонованих методів до впровадження в системи реального часу. Практична доцільність запропонованих методів визначається тим, що розроблене розширення: а) удосконалює спосіб задання геометричного об’єкта; б) забезпечує збереження цілісності 3D-об’єкта після політочкових перетворень; в) підвищує точність обчислень завдяки адаптації параметра в модифікованій Гаус-інтерполяції до локальної форми кривої; г) оптимізує обчислення політочкових перетворень, скорочуючи час підрахунків при збереженні цілісності геометрії. Сукупність зазначених властивостей має прикладну цінність для задач, де критичними є точність деформації, стабільність топології, цілісності та продуктивність, зокрема для застосувань, наближених до реального часу. Висновки, отримані на основі проведених досліджень, підтверджують доцільність їх використання.Документ Відкритий доступ Методи обробки геопросторових даних для визначення технічного потенціалу відновлюваних джерел енергії(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Кардашов, Олександр Вадимович; Аушева, Наталія МиколаївнаКардашов О.В. Методи обробки геопросторових даних для визначення технічного потенціалу відновлюваних джерел енергії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 Комп’ютерні науки. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі підвищення точності просторового розподілу даних за упорядкованим каркасом точок із використанням методів геостатистичної інтерполяції та прогнозування проміжних значень методами машинного навчання в області оцінювання технічного потенціалу генерації електричної енергії за допомогою відновлювальних джерел енергії. Актуальність дослідження полягає в підвищенні точності просторового розподілу даних вхідного каркасу точок для поверхонь із однорідними та неоднорідними морфометричними і кліматичними параметрами. Застосування моделей машинного навчання для задачі прогнозування проміжних значень упорядкованого каркасу точок є перспективним напрямком досліджень в галузі відновлювальної енергетики для підвищення точності просторового розподілу відновлювального ресурсу в умовах гірських територій з нерівномірною орографією та кліматичними умовами, параметри яких використовуються моделлю машинного навчання для підвищення точності прогнозування. Об’єктом дослідження є процеси обробки, аналізу та моделювання геопросторових даних для застосування в галузі відновлювальної енергетики. Предметом дослідження виступають моделі та методи просторового моделювання на неупорядкованому розрідженому каркасі точок та обчислювальні алгоритми для розрахунку технічного потенціалу генерації відновлювальної енергетики. Метою дисертаційної роботи є створення методів прогнозування проміжних значень каркасу точок на основі регресійних та геостатистичних методів інтерполяції для удосконалення методів визначення потенціалу генерації відновлювальної енергетики. У ході виконання дослідження було розглянуто можливості удосконалення методів просторового моделювання геопросторових даних для задач оцінювання технічного потенціалу відновлюваних джерел енергії шляхом поєднання геостатистичних методів інтерполяції та методів прогнозування на основі машинного навчання. Уперше запропоновано метод просторового моделювання на неупорядкованому каркасі точок із використанням характеристик поверхні та середовища, у межах якого проміжні значення цільової характеристики визначаються прогнозуванням моделі машинного навчання що враховує вхідну вибірку предикторів, що у порівнянні із геостатистичними методами інтерполяції у класичних реалізаціях не обмежується виключно просторовою автокореляцією. Визначення проміжних значень здійснюється шляхом прогнозування методом Random Forest, послідовно використовуючи набори предикторів, що складаються виключно із морфометричних параметрів та комбінації морфометричних і кліматичних параметрів, що у межах виконаних експериментів забезпечило підвищення точності просторового моделювання відновлювального ресурсу порівняно із методом Ordinary kriging, та, відповідно, продемонструвало вищу точність прогнозування моделі, що була натренована на комбінованій вибірці морфометричних та кліматичних параметрів, у порівнянні із моделлю, що була натренована виключно на вибірці морфометричних параметрів. Вперше формалізовано опис геоданих для просторового моделювання на неупорядкованому каркасі точок, за яким визначається склад, класи та правила просторово-часового узгодження вхідних ознак, а також процедури отримання проміжних значень поверхні у точках, що не належать вхідному каркасу точок. У запропонованій моделі, геостатистичні методи застосовуються як статистично обґрунтований базис просторових оцінок і контролю невизначеності, тоді як регресійні моделі забезпечують багатовимірне врахування рельєфних і кліматичних коваріатів та нелінійних залежностей. Удосконалено модель оцінювання технічного потенціалу генерації електроенергії за рахунок інтеграції комбінації геостатистичних методів інтерполяції та прогнозування на основі машинного навчання в етап просторового розподілу відновлювального ресурсу. Модель реалізує адаптивний підхід до формування неперервного поля ресурсу залежно від та складності морфометричних і кліматичних умов території, та типу вхідних даних, котрі в практичній реалізації представляються спостереженнями метеостанцій, даними реаналізу або комбінованими вибірками з різних джерел. У межах подальших етапів визначення технічного потенціалу, модель поєднує шар географічного потенціалу, шар доступного відновлюваного ресурсу, карту придатності як зваженого інтегрального індексу, що агрегує жорсткі обмеження та небінарні критерії та процес обчислення максимальної встановленої потужності з виробітком електроенергії. Удосконалено методику формування вхідного набору даних для просторового розподілу шляхом розв’язання задачі регресії з узгодження недостовірної вибірки з достовірною за вузловими значеннями. Підхід передбачає оцінювання зміщення даних реаналізу відносно наземних спостережень і подальшу корекцію ресурсних значень, що підвищує узгодженість вхідної інформації перед виконанням інтерполяції або прогнозування проміжних значень та зменшує вплив систематичних похибок на підсумкові оцінки потенціалу. Практичне значення отриманих результатів визначається створенням прикладної системи оцінювання технічного потенціалу ВДЕ, у якій етап визначення кількості доступного відновлювального ресурсу підтримує альтернативні сценарії просторового моделювання. Реалізовано адаптивну модель із варіативними сценаріями формування шару ресурсу, що забезпечує вибір методу залежно від складу та якості вхідних даних і типу території з різнорідними морфометричними та кліматичними умовами, а також надає можливості для сценарного порівняння результатів за різними системами просторових обмежень. Для кожної визначеної придатної ділянки обчислюються показники максимально можливої встановленої потужності та енергетичного виробітку з урахуванням ресурсу і технологічних припущень, після чого виконуються агрегація за множиною ділянок та формування інтегральних оцінок території. Розроблено програмно-алгоритмічну схему обробки даних для формування неперервного поля ресурсу, яка включає модулі корекції даних реаналізу за значеннями опорних спостереженнями метеостанцій та даних реаналізу типу MERRA-2 від NASA POWER і модулі прогнозування проміжних значень за каркасом точок. Використання морфометричних і кліматичних предикторів у складі вхідних ознак забезпечує урахування орографічної та атмосферної неоднорідності, що є важливим для регіонів зі складним рельєфом і локально мінливістю кліматичних умов. Сформовані результати представляються у стандартизованих форматах геоданих – векторних шарів та растрових зображень, придатних для подальшого просторового аналізу, формування карти придатності та розрахунків показників технічного потенціалу. Апробацію моделі для вітрової енергетики на території України виконано з отриманням інтегральних оцінок максимальної встановленої потужності та потенціалу виробітку з урахуванням порогових значень коефіцієнта використання встановленої потужності. Встановлено, що при КВНП ≥ 0.2 технічний потенціал ВЕС для території України становить 726 365 МВт та 1 594 749 млн кВт·год/рік, а при КВНП ≥ 0.25 - 406 721 МВт та 1 040 634 млн кВт·год/рік, що демонструє вплив критерію відбору придатних зон на підсумкові оцінки та практичну придатність моделі для порівняння варіантів відбору територій за рівнем ефективності генерації. Апробацію моделі для сонячної енергетики виконано шляхом обчислення максимальної встановленої потужності та річної генерації на основі визначення географічного потенціалу території України та технологічних параметрів розміщення фотоелектричних модулів. За підсумком агрегації по території України визначено сумарну доступну площу для СЕС від 1 МВт 101 945.8746 км², і становить приблизно 17% території України, що відповідає площі встановлених ФЕМ 40 311.5 км², 8 062 300 МВт максимальної встановленої потужності та 10 030 497.41 млн кВт·год/рік теоретично досяжної річної генерації. Отримані результати формують взаємопов’язаний набір модулів для просторового аналізу та моделювання ресурсних обмежень, орієнтовану на отримання оцінок потенціалу ВДЕ в умовах неоднорідності вхідних спостережень і різної складності кліматичних та рельєфних умов. Запропоновані рішення можуть застосовуватися як елемент геоінформаційних систем підтримки планування розвитку ВДЕ та для порівняльного аналізу альтернативних наборів просторових обмежень і сценаріїв моделювання ресурсу.