Розглянуто підходи до оцінки ефективності функціонування гетерогенних відеоінформаційних систем. Показано, що модель ієрархії як кількісне опис структурно-функціональної організації може служити засобом аналізу інформаційних потоків та ефективності системи в термінах теорії графів. аналітично представлений критерій домінування для оцінки ефективності гетерогенних відеоінформаційних систем. Показано, що в навантаженому графі гетерогенної системи ваги окремих вузлів представляють ефективність цього вузла, причому з його збільшенням зростає ступінь впливу (домінування) даного вузла на інші вузли системи і на систему в цілому, і назад, зі зниженням ваги вузла підвищується його залежність від інших вузлів. Розглянуто вплив довжини міжвузлових шляхів на ефективність системи з урахуванням часткової втрати інформації при її поширенні по графу. Наведено чисельні розрахунки ефективності систем на основі критерію домінування, результати яких підтверджують зазначені теоретичні положення.

Анотація наукової статті з комп'ютерних та інформаційних наук, автор наукової роботи - Лисенко Микола Володимирович, Мончак Олександр Маратович


Analysis of the Effectiveness of Heterogeneous Video Information Systems on the Basis of the Dominance Criterion

The approaches to the evaluation of the efficiency of the functioning of heterogeneous video information systems are considered. It is shown that the hierarchy model as a quantitative description of the structural and functional organization can serve as a means of analyzing information flows and system efficiency in terms of graph theory. The criterion of dominance for the evaluation of the efficiency of heterogeneous video information systems is analytically presented. It is shown that in the loaded graph of a heterogeneous system the weights of individual nodes represent the efficiency of this node, and with its increase the degree of influence (dominance) of this node on the remaining nodes of the system and on the system as a whole grows, and conversely, with a decrease in the weight of the node it rises its dependence on other nodes. The influence of the length of interstitial paths on the efficiency of the system is taken into account, taking into account the partial loss of information during its propagation through the graph. Numerical calculations of the efficiency of systems based on the dominance criterion are given, the results of which confirm the indicated theoretical positions.


Область наук:
  • Комп'ютер та інформатика
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ГЕТЕРОГЕННИХ відеоінформаційні СИСТЕМ НА ОСНОВІ КРИТЕРІЮ ДОМІНУВАННЯ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ГЕТЕРОГЕННИХ відеоінформаційні СИСТЕМ НА ОСНОВІ КРИТЕРІЮ ДОМІНУВАННЯ»

    ?Телебачення і обробка зображень

    УДК 681.518.3

    М. В. Лисенка, А. М. Мончак Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна) вул. Професори Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Росія

    Аналіз ефективності гетерогенних відеоінформаційних систем на основі критерію домінування

    Анотація. Розглянуто підходи до оцінки ефективності функціонування гетерогенних відеоінформаційних систем. Показано, що модель ієрархії як кількісне опис структурно-функціональної організації може служити засобом аналізу інформаційних потоків та ефективності системи в термінах теорії графів. Аналітично представлений критерій домінування для оцінки ефективності гетерогенних відеоінформаційних систем. Показано, що в навантаженому графі гетерогенної системи ваги окремих вузлів представляють ефективність цього вузла, причому з його збільшенням зростає ступінь впливу (домінування) даного вузла на інші вузли системи і на систему в цілому, і назад, зі зниженням ваги вузла підвищується його залежність від інших вузлів. Розглянуто вплив довжини міжвузлових шляхів на ефективність системи з урахуванням часткової втрати інформації при її поширенні по графу. Наведено чисельні розрахунки ефективності систем на основі критерію домінування, результати яких підтверджують зазначені теоретичні положення.

    Ключові слова: гетерогенна система, критерій домінування, ефективність відеоінформаційних систем, орграф системи

    Для цитування: Лисенко Н. В., Мончак А. М. Аналіз ефективності гетерогенних відеоінформаційних систем на основі критерію домінування // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2018. № 3. С. 57-62.

    N. V. Lysenko, A. M. Monchak Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI" 5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg, Russia

    Analysis of the Effectiveness of Heterogeneous Video Information Systems on the Basis of the Dominance Criterion

    Absrtact. The approaches to the evaluation of the efficiency of the functioning of heterogeneous video information systems are considered. It is shown that the hierarchy model as a quantitative description of the structural and functional organization can serve as a means of analyzing information flows and system efficiency in terms of graph theory. The criterion of dominance for the evaluation of the efficiency of heterogeneous video information systems is analytically presented. It is shown that in the loaded graph of a heterogeneous system the weights of individual nodes represent the efficiency of this node, and with its increase the degree of influence (dominance) of this node on the remaining nodes of the system and on the system as a whole grows, and conversely, with a decrease in the weight of the node it rises its dependence on other nodes. The influence of the length of interstitial paths on the efficiency of the system is taken into account, taking into account the partial loss of information during its propagation through the graph. Numerical calculations of the efficiency of systems based on the dominance criterion are given, the results of which confirm the indicated theoretical positions.

    Key words: heterogeneous system, domination criterion, effectiveness of video information systems, system digraph

    For citation: Lysenko N. V., Monchak A. M. Analysis of the Effectiveness of Heterogeneous Video Information Systems on the Basis of the Dominance Criterion. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics], 2018, no. 3, pp. 57-62. (In Russian)

    Вступ. Гетерогенна система являє собою сукупність різнорідних ланок, об'єднаних для досягнення певної мети. Гетеро -

    © Лисенко Н. В., Мончак А. М., 2018

    генні відеоінформаційні системи (ГВІНС) створюються для сприйняття інформаційного поля, його перетворення і обробки з метою з-

    57

    потягу різнорідної інформації, а також її семантичного аналізу. До їх складу входять приймачі сигналу поля, перетворення отриманого сигналу і його програмної обробки - різнорідні ланки, що утворюють гетерогенну систему.

    Ступінь пристосованості ГВІНС до виконання цільової функції прийнято оцінювати значеннями критеріїв ефективності (КЕ) [1] - [5]. КЕ враховують структуру системи, значення її характеристик, взаємодія з зовнішнім середовищем. Таким чином, КЕ визначаються процесами функціонування системи. Їх можна вважати функціоналом від цього процесу.

    КЕ гетерогенної системи. Оскільки складні системи працюють в умовах дії випадкових факторів, значення функціоналів виявляються випадковими величинами. Тому при розрахунку ефективності функціонування системи користуються або середніми значеннями відповідних функціоналів, або їх імовірнісними характеристиками.

    У багатоцільовий задачі поняття оптимальності замінюється поняттям недомініруемих [6] - [9]. У той час як рішенням одноцелевой завдання лінійного програмування є оптимум цільової функції, рішення багатоцільовий завдання лінійного програмування визначає безліч недомініруемих (які не мають переваг один перед одним) альтернатив. Знаходження множини всіх недомініруемих рішень фіксує в просторі визначення цільової функції сукупність точок, які можуть служити в якості оптимальних рішень.

    З метою аналізу інформаційних потоків та ефективності ГВІНС їй може бути зіставлений орієнтований навантажений граф (орграф). Вузли графа аг- відповідають ланкам системи, шляхи вказують вплив одних вузлів на інші, довжини (навантаження [10]) цих шляхів Ц ^ відображають ступінь впливу, причому чим довше шлях, тим менший вплив надає г-й вузол-джерело на к-й вузол-приймач (що відповідає втраті інформації при передачі по шляху). В результаті основною характеристикою графа ГВІНС є матриця довжин

    шляхів Ь = {Цк}, г, к = 1, Wа, де Wа - кількіст-

    ство вузлів. Кожен шлях враховується в матриці один раз на перетині рядка з номером вузла-джерела і стовпці з номером вузла-приймача.

    При розробці графа ГВІНС пропонуються наступні основні передумови [2], [11] - [13]:

    1. Частка активної участі окремого г-го ланки аг в реалізації цільової функції системи кількісно визначається значенням критерію домінування. З ростом активності аг-вплив поведінки г-го ланки на функціонування всієї системи і, отже, на значення БГ зростає, т. Е. Це ланка в більшій мірі відіграє домінуючу роль. Можна покласти, що при БГ > 0 г-е ланка виконує активну роль в реалізації цільової функції; при Д = 0 воно нейтрально, а при < 0 це ланка протидіє досягненню системних цілей.

    2. Чим більше значення | Ц |, тим точніше слід задавати верхню і нижню межі зміни критерію домінування г-го ланки і реалізацію станів аг.

    3. Зі зменшенням | Д- | зростає залежність г-го ланки від інших ланок системи; одночасно вимога до точності реалізації станів аг знижується.

    4. Ступінь організованості всієї системи визначається значенням критерію Б орієнтованого навантаженого графа.

    Формалізація Б-критерію полягає в наступному:

    1. Для двох вузлів орграфа (г-го аг- і до-го а к)

    величини | Ьгк | і | Ькг | тим більше, чим довше

    найкоротший з'єднує їх шлях, і тим менше, чим більше кількість мінімальних шляхів, що з'єднують ці вузли.

    2. Чим більше шляхів ведуть в г-й вузол, тим більше він залежить від системи і тим менше значення Б г.

    3. Чим більше число шляхів, що виходять з г-го вузла, тим більше його вплив на систему і тим більше значення БГ.

    Викладеним формальним вимогам удо-влетворяет критерій виду

    А = Е | Ак |.

    к = 1

    Ступінь домінування г-го вузла над до-м визначається величиною

    тк 1 ТКГ 1

    БГК = X (Ьгк), |) / ,

    ] = 1 1 = 1

    де т ^ к - число всіх існуючих в графі шляхів, що ведуть з а ^ в а к; ТКГ - число всіх існуючих в графі шляхів, що ведуть з а к в аг-.

    Мал. 1

    Ступінь організованості всієї системи визначається як

    W

    DG =! | Di \. (1)

    ,= 1

    Оскільки матриця довжин шляхів в орграфе є дистрибутивної структурою, можна записати:

    ™ а т, К, -а -К, ,

    Я = 1 I (Ьк) -1 -I) / "1. (2)

    а Тих

    К = 1 1 = 1

    К = 1 1 = 1

    Тоді відповідно до (2) значення Я, розраховуються за наступним алгоритмом:

    1. Підсумовуються рядки матриці Ь 1, в результаті утворюється матриця-рядок з розмірами 1 х Wа.

    2. Підсумовуються стовпці матриці Ь 1, при цьому виходить матриця-стовпець з розмірами Wа х 1.

    3. Матриця-стовпець (п. 2) транспонується, що призводить до утворення матриці-рядка.

    4. З першої матриці-рядка (п. 1) віднімається друга матриця-рядок (п. 3).

    Аналітично ці операції записуються в наступному вигляді:

    г-л Г г-л т

    Я = \ I

    ,= 1

    I (Ьк) -1

    ] = 1

    "ЧК

    I (ьи) -1

    ] = 1

    , (3)

    де {ор}, {ор}, - почленного операція "ор" в матриці за координатами До і, відповідно; "Т" -символ транспонування.

    Міра структурної ефективності системи визначається ступенем її організованості, яка відповідає максимальному значенню критерію DG, обчисленого по (1).

    Якщо визначається ефективність для систем, що мають однакову цільову функцію, але різні реалізації, то очевидно, що може бути

    знайдено максимальне значення критерію їсть

    ітах

    для деякої "ідеальної" структури. Під ідеальною будемо розуміти структуру системи, в якій всі процеси відбуваються на максимально можливому для даного класу систем загальносистемному рівні, а кількість шляхів і вузлів структури конгруентно мінімізовано. Це твердження випливає з того факту, що в навантаженому орграфе обов'язково існує мінімальний шлях, що з'єднує задані вузли а, і аj [14].

    Тоді структурна ефективність системи визначається зі співвідношення

    Е = Я / Ятях. (4)

    Приклад. На рис. 1 представлена ​​структурна схема найпростішої ГВІНС, що володіє інформаційної зворотним зв'язком. В системі враховані шуми джерела інформації, каналу зв'язку та приймача, а також впливу зовнішнього середовища.

    Поставимо у відповідність кожному, -му ланці системи на рис. 1 елемент графа а ,. Отриманий граф системи представлений на рис. 2.

    Відображається графом (рис. 2) структуру системи будемо вважати ідеальною, так як в ній відбуваються на максимально можливому для даного класу систем рівні все загальносистемні процеси (основні інформаційні процеси, зв'язок із зовнішнім середовищем, два види інформаційної зворотного зв'язку, вплив всіх видів шумів).

    © © ©

    Мал. 2

    --Н

    Мал. 3

    Мал. 4

    Припустимо, що кожен шлях в Орграф характеризується дією операторів д ^ і супроводжується втратами інформації Д0, -. Тоді до чого вузлу графа надійде інформація

    0; -Д0,-.

    Поставимо у відповідність довжині шляху від вузла аг- до аг + 1 відносні втрати інформації, які можуть бути отримані в результаті моделювання інформаційних процесів в системі:

    L,

    е,

    i, i +1

    е, -де,

    |-1,

    т. е. чим менше втрати інформації, тим коротше довжина шляху. У граничних випадках при Д0, = 0, Ь = 0: інформація передається без втрат; при Д0,, Ь і інформація з цього шляху не може бути передана.

    Порівняємо ідеальну структуру, відображену графом Отах (див. Рис. 2) і дві системи, які мають ту ж цільову функцію, але відрізняються реалізацією: Gз (рис. 3) і G4 (рис. 4). Орграф цих систем отримані послідовним винятком з розгляду впливу зовнішнього середовища ^ 3) і далі шумів ^ 4).

    Таблиця 1

    Шлях Lik шлях Lik шлях Lik шлях Lik

    1-2 0.25 4-5 0.66 8-1 0.25 10-3 0.25

    2-3 0.11 5-4 5.0 7-5 1.0 5-1 2.0

    3-4 0.25 6-1 0.11 9-2 0.25

    Таблиця 2

    i d, i d, i d, i D,

    1 9.6 4 2.7 7 -1.0 10 -4.0

    2 4.0 5 1.8 8 -4.0

    3 9.1 6 -9.1 9 -4.0

    Апріорні дані для розрахунку зведені в табл. 1. Значення Б-критерію вузлів орграфа ідеальної ГВІНС (див. Рис. 2), отримані по (3), зведені в табл. 2. Позитивні значення критерію домінування для ланок а1 - аз свідчать про активну роль цих елементів системи в досягненні цільової функції. Навпаки, негативні значення критерію у елементів 6-10 (шуми джерела, каналу зв'язку, приймача і негативний вплив зовнішнього середовища) говорять про протидію цих елементів ефективному досягненню системної мети.

    Значення Б-критерію для ідеальної структури становить = 54.36, для двох орграфов,

    ітах

    обраних для порівняння, він має значення Б0' = 34.18 і ?>с4 = 17.18.

    В силу ідеальності ГВІНС з Орграф Gmax (див. Рис. 2) її ефективність Е ^ тах = 1.0. Для орграфов порівнюваних систем по (4) отримані значення ефективності Е ^ 3 = 0.63 і Е ^ 4 = 0.32.

    Значне зменшення структурної ефективності ГВІНС для структур, в яких послідовно виключається вплив зовнішнього середовища і різного виду шумів, показує, що подібні моделі неадекватно представляють реальні процеси, що відбуваються в системі.

    Висновок. У статті запропоновано Б-критерій, що дозволяє оцінювати домінування окремих елементів системи в процесі досягнення спільної мети її функціонування, а також виявляти структурну ефективність ГВІНС. Моделювання інформаційних процесів в системі дозволяє отримати вихідні дані про втрати інформації.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Хартлі Р. Передача інформації / пер. з англ. М .: Наука, 1963. 350 с.

    2. Лисенко Н. В. Інформаційні гетерогенні системи. СПб .: Елмор, 2007. 160 с.

    3. Gertz M. W., Stewart D. B., Khosla P. K. A human-machine interface or distributed virtual laboratories // IEEE Robotics & Automation Magazine. 1994. Vol. 1, № 4. Р. 106119.

    4. How hyperstereopsis can improve the accuracy of spatial perception: an experimental approach // SPIE. 1998. Vol. 3021. P. 51-63.

    5. Bakhtiari R., Labibi B. Emotional learning to control large-scale systems // Proc. of 16th IFAC World Congress. Prague, Czech Republic, July 4-8, 2005.

    6. Chatlatanagulchai W., Meckl P. H. Model-Free Observer Backstepping Control Design for Nonlinear Systems in Strict Feedback Form / 43d IEEE Conf. on Decision and Control. Dec. 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    7. Chen J., Patton R. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems. Boston, MA: Kluwer, 1999..

    8. Edwards Ch., Chce Pin Tan. Fault tolerant control using sliding mode observers // 43d IEEE Conf. on Decision and Control. Dec. 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    9. Interactive Analysis of Time-Varying Systems using Volume Graphics / J. Johansson, D. Lindgren, M. Cooper,

    Стаття надійшла до редакції 18 лютого 2018 р.

    L. Ljung // Proc. of 43d IEEE Conf. on Decision and Control. Dec. 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    10. Горбатов В. А. Фундаментальні основи дискретної математики. Інформаційна математика. М .: Наука, 2000. 310 с.

    11. Bask M., Johansson A. Robust time-varying thresholds for supervision of valves in a flotation process / 43d IEEE Conf. on Decision and Control. Dec. 1417, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    12. Customer satisfaction degree evaluation model in logistic using SVM / Huali Sun, Jianeing Xie, Shao-Yuan Li, Yaofeng Xue // Proc. of 16th IFAC World Congress. Prague, Czech Republic, July 4-8, 2005.

    13. Mutiagent Teamwork: Hybrid Approaches / P. Paru-churi, E. Bowring, R. Nair, J. P. Pearce, N. Schurr, M. Tambc, P. Varakantham // Computer society of India Communications. 2006.

    14. Фляйшнер Г. Ейлерови графи і суміжні питання / пер. з нім. М .: Світ, 2002. 247 с.

    Лисенко Микола Володимирович - доктор технічних наук (2002), професор (2003), завідувач кафедри телебачення і відеотехніки Санкт-Петербурзького державного електротехнічного університету "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна). Автор понад 150 наукових публікацій. Сфера наукових інтересів - гетерогенні відеоінформаційні системи передачі та обробки інформації; телевізійні мережі і системи; вплив технічних характеристик систем віртуальної реальності на ефективність діяльності операторів; моделювання відеоінформаційних систем на основі теорії графів. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Мончак Олександр Маратович - кандидат технічних наук (1981), доцент (2004) кафедри телебачення і відеотехніки Санкт-Петербурзького державного електротехнічного університету "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна). Автор 21 наукових публікацій. Сфера наукових інтересів - гетерогенні відеоінформаційні системи передачі та обробки інформації; телевізійні мережі та системи. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    REFERENCES

    1. Khartli R. Peredacha informatsii [Transmission of Information]. Moscow, Nauka, 350 p. (In Russian)

    2. Lysenko N. V. Informatsionnyegeterogennye sistemy [Information Heterogeneous Systems]. SPb., Elmor, 2007, 160 p. (In Russian)

    3. Gertz M. W., Stewart D. B., Khosla P. K. A Human-Machine Interface or Distributed Virtual Laboratories. IEEE Robotics & Automation Magazine. 1994 vol. 1, no. 4, pp. 106-119.

    4. How Hyperstereopsis Can Improve The Accuracy Of Spatial Perception: An Experimental Approach. SPIE. 1998 vol. 3021, pp. 51-63.

    5. Bakhtiari R., Labibi B. Emotional learning to control large-scale systems. Proc. of 16th IFAC World Congress. Prague, Czech Republic, July 4-8, 2005.

    6. Chatlatanagulchai W., Meckl P. H. Model-Free Observer Backstepping Control Design for Nonlinear Systems in Strict Feedback Form. 43d IEEE Conf. on Decision and Control. December 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    7. Chen J., Patton R. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems. Boston, MA, Kluwer, 1999..

    8. Edwards Ch., Chce Pin Tan. Fault tolerant control using sliding mode observers. 43d IEEE Conf, on Decision and Control. December 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    9. Johansson J., Lindgren D., Cooper M., Ljung L. Interactive Analysis of Time-Varying Systems using Volume Graphics. Proc. of 43d IEEE Conference on Decision and Control. December 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    10. Gorbatov V. A. Fundamental'nye osnovy diskretnoj matematiki. Informacionnaja matematika [Fundamentals of Discrete Mathematics. Information Mathematics]. Moscow, Nauka, 2000., 310 p. (In Russian)

    11. Bask M., Johansson A. Robust time-varying thresholds for supervision of valves in a flotation process. 43d IEEE Conf. on Decision and Control. December 14-17, 2004. Atlantis, Paradise Island, Bahamas.

    12. Sun Huali, Xie Jianeing, Li Shao-Yuan, Xue Yaofeng. Customer satisfaction degree evaluation model in logistic using SVM. Proc. of 16th IFAC World Congress. Prague, Czech Republic, July 4-8, 2005.

    13. Paruchuri P., Bowring E., Nair R., Pearce J. P., Schurr N., Tambc M., Varakan-tham P. Mutiagent Teamwork: Hybrid Approaches. Computer society of India Communications, 2006.

    14. Flyaishner G. Eilerovy grafy i smezhnye voprosy [Euler Graphs and Related Questions]. Moscow, Mir, 2002 247 p. (In Russian)

    Received February, 18, 2018

    Nikolay V. Lysenko - D.Sc. in Engineering (2002), Professor (2003), Chief of the Department of Television and Video equipment of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of more than 150 scientific publications. Area of ​​expertise: heterogeneous video information systems for information transmission and processing; television networks and systems; influence of technical characteristics of virtual reality systems on the efficiency of operators; modeling of video information systems based on graph theory. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Alexander M. Monchak - Ph.D. in Engineering (1981), Associate Professor (2004) of the Department of Television and Video equipment of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of 21 scientific publications. Area of ​​expertise: heterogeneous video information systems for information transmission and processing; television networks and systems. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: гетерогенній системі / HETEROGENEOUS SYSTEM / КРИТЕРІЙ ДОМІНУВАННЯ / DOMINATION CRITERION / ЕФЕКТИВНІСТЬ відеоінформаційні СИСТЕМ / EFFECTIVENESS OF VIDEO INFORMATION SYSTEMS / орграф СИСТЕМИ / SYSTEM DIGRAPH

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити