Dissertations / Theses on the topic 'Кіберфізична система'

Метою дипломної роботи є дослідження показників стану здоров'я в режимі реального часу. Отримані результати наукового дослідження можуть бути використані для підвищення ефективності дослідження показників стану здоров’я в режимі реального часу. Розроблено концептуальну модель кіберфізичної системи діагностування стану здоров’я в режимі реального часу. Удосконалено метод гібридного автомата шляхом введення варіанту постановки структурно-функціонального параметричного синтезу. На основі запропонованого підходу здійснено розробку програмного забезпечення для реалізації кіберфізичної системи діагностування стану здоров’я в режимі реального часу.

Сьогодні в Україні одним з перспективних напрямків розвитку сучасних техніки та технології вважається сільське господарство, продукція якого займає одне з перших місць з експорту за кордон. Головним завданням наших аграрних господарств є потреба забезпечення високої культури землеробства, завдяки чому гарантуватимуться велика врожайність та відповідна якість сільськогосподарської продукції.

За результатами проведеного дослідження запропоновано кіберфізичну систему в основі якої, закладено метод колективної комунікації в кластерній структурі мережі. Запропонований метод забезпечує ефективний обмін даними для обробки виданих запитів, оскільки він утворює енергоефективні кластери, що формуються на основі властивостей речей.

У роботі розглянуто принципи застосування штучних нейронних мереж для розпізнавання зображень автомобілів для кіберфізичної системи розумної парковки. Удосконалено метод розпізнавання зображень на базі технології Google Cloud Vision API та розроблено модель розпізнавання зображень автомобілів на основі згорткової нейронної мережі ЗНМ.

Об’єктом дослідження є процес обробки даних у системі висвітлення надводної обстановки.Предметом дослідження є науково-методичний апарат обробки даних у системі висвітлення надводної обстановки. Метою дипломної роботи є розробка кіберфізичної системи виявленя просторових аномалій руху суден. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що удосконалено метод кластеризації маршрутів руху суден, який дає можливість для більш точнішого виявлення просторових аномалій руху суден.

Об`єктом роботи є процес опрацювання інформації про стан зору людини у кіберфізичній системі. Предметом роботи є програмно-технічні засоби кіберфізичної системи діагностики зору людини. Метою роботи є створення кіберфізичної системи діагностики зору людини із підвищеною точністю та швидкодією на основі вхідних даних щодо видимої людиною частоти блимання світлодіода та сприйняття кольорів і їх відтінків..

Незважаючи на десятиліття інтересу до впровадження автоматизації та комп'ютерного інтелекту додому, домашня автоматизація не наситила ринок і навіть не стала спільною рисою будинків. Не було досягнуто нічого подібного до повсюдності розумних будинків, очікуваних за останні 40-50 років. Було кілька підходів до домашньої автоматизації в промисловості та дослідженнях. На сьогоднішній день найбільш поширеним було використання контролера, який розміщується в центрі домашньої системи і провід кожного пристрою назад до контролера. В цій роботі визначено топологію PCC, яка визначається як топологія з фіксованим контролером, який постійно знаходиться в центрі системи домашньої автоматизації. Хоча було багато спроб звести до мінімуму його проблеми, всі вони все ще належним чином описані як такі, що використовують PCC.

Метою роботи є проєктування та реалізація підсистем керування електроживленням та відслідковування енергоспоживання в режимі реального часу на платформі Arduino в кіберфізичній системі "Розумний будинок". Об’єктом дослідження є програмно-технічний (апаратний) засіб - підсистеми керування електроживленням та відслідковування енергоспоживання в режимі реального часу на платформі Arduino в кіберфізичній системі "Розумний будинок". Предметом дослідження є підсистеми керування електроживленням та відслідковування енергоспоживання в режимі реального часу на платформі Arduino в кіберфізичній системі "Розумний будинок". Практична цінність роботи полягає в спроєктованих та реалізованих підсистемах керування електроживленням та відслідковування енергоспоживання в режимі реального часу на платформі Arduino, які можуть бути застосовані як складова частина в кіберфізичній системі «Розумний будинок»

Захист відбудеться «02» жовтня 2020 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д58.052.01 в Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, ауд. 79.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми розвитку математичного моделювання та обчислювальних методів у напрямку створення та дослідження нових компартментних математичних моделей кіберфізичних систем медико- біологічних процесів. Розроблено компартментні математичні моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів з використанням решітчастих диференціальних та різницевих рівнянь із запізненням на прямокутній та гексагональній решітках. Запропоновано методи обчислювальної математики для дослідження перманентності, екстинкції та стійкості компартментних математичних моделей кіберфізичних систем медико-біологічних процесів. Розроблено нові методи моделювання кіберфізичних біосенсорних систем з використанням гібридного програмування та інтерпретацією результатів моделювання у вигляді зображення фазових площин, решітчастих портретів та електричних сигналів. Запропоновано методи дослідження експоненційної стійкості рекурентних нейромережевих моделей для кіберфізичних систем медико-біологічних процесів. Розроблено алгоритм оптимального керування в моделі кіберфізичної системи лабораторної діагностики на основі полімеразно-ланцюгової реакції. Програмно реалізовані методи дослідження стійкості кіберфізичних систем медико-біологічних процесів.
Диссертация посвящена решению проблемы развития математического моделирования и вычислительных методов в направлении создания и исследования новых компартментных математических моделей киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработаны компартментные математические модели киберфизических систем медико-биологических процессов с использованием решётчастых дифференциальных и разностных уравнений с запаздыванием на прямоугольной и гексагональной решётках. Предложенные методы вычислительной математики для исследования перманентности, экстинкции и устойчивости компартментных математических моделей киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработаны новые методы моделирования киберфизических биосенсорных систем с использованием гибридного программирования и интерпретацией результатов моделирования в виде изображения фазовых плоскостей, решётчастых портретов и электрических сигналов. Предложенные методы исследования экспоненциальной устойчивости рекуррентных нейросетевых моделей для киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработан алгоритм оптимального управления в модели киберфизической системы лабораторной диагностики на основе полимеразно- цепной реакции. Программно реализованы методы исследования устойчивости киберфизических систем медико-биологических процессов.
The dissertation is devoted to the solution of the problem of development of mathematical modelling and computational methods in the direction of creation and investigation of new compartmental mathematical models of cyber-physical systems of medical and biological processes. A methodology for designing cyber-physical biosensor systems used for automated monitoring of biomedical processes has been developed. On the basis of the suggested methodology, compartmental mathematical models of cyber- physical systems of medical and biological processes have been developed using lattice differential and difference equations with delay on rectangular and hexagonal lattices. The developed compartmental mathematical models take into account all the properties that are characteristic of lattice cyber-physical systems of medical and biological processes. Taking into account the lattice structure, the research has been carried out by the use of appropriate interactions between pixels of rectangular and hexagonal lattices, spatial operators and coordinations of biopixels. Methods of computational mathematics have been developed for solving problems of studying the permanence, extinction and stability of compartmental mathematical models of cyber-physical systems of medical and biological processes by using lattice differential and difference equations with delay on rectangular and hexagonal lattices. The basic numbers of reproduction have been suggested as a tool for studying the stability of compartmental lattice-type mathematical models. The conditions of stability, stability state without antibodies, stability state without antigens and antibodies, identical and non-identical endemic stability state have been investigated. Тhe study of local and global asymptotic stability has presented qualitative and quantitative results of numerical simulation of cyber-physical systems of medical and biological processes. The numerical simulation results show that the time delay has the greatest influence on the stability of the developed mathematical models of cyber-physical biosensor systems on rectangular and hexagonal lattices using lattice differential and difference equations with delay. New methods of organizing and optimizing the processes of simulation of cyber-physical biosensor systems using hybrid programming and interpretation of simulation results in the form of phase planes, lattice portraits have been developed. A mathematical model of dynamic logic for the systems under study has been developed by using the basic terms of the hybrid programming language. The results of numerical simulation of the developed cyber-physical biosensor system have been presented in the form of electrical signals from transducers characterizing the number of fluorescent pixels. Methods of computational mathematics have been worked out to solve the problems of exponential stability research of recurrent neural network models for cyber-physical systems of medical and biological processes. The algorithm of optimal control in the model of cyber-physical system of laboratory diagnostics based on polymerase-chain reaction has been developed. Using the obtained results, it is possible to control the temperature to minimize the required time of implementation of the annealing stage with the possibility of using a minimum amount of primer. The practical significance of the results of the dissertation research consists in the fact that, on the basis of the developed compartmental mathematical models of cyber- physical systems of medical and biological processes, the study of stability on rectangular and hexagonal lattices with the use of lattice differential and difference equations, it has been established that the constant delay is the most important parameter that affects the stability of the systems under study. A software complex has been developed to study the stability of cyber-physical systems of medical-biological processes, consisting of a block of identification and input of the parameters of the studied models, a software module for investigation of continuous dynamics, the block of modelling of the lattice images of antigens and antibodies, the block of obtaining the lattice images of connections of antigens with antibodies, the module of the study of discrete dynamics on the stability of the cyber-physical biosensor system and the visualization unit. The developed software complex and the obtained practical results are suitable for use in the design of modern cyber-physical systems of medical and biological processes with ensuring their stability during storage and use.
Перелік основних умовних позначень, символів і скорочень 42 Вступ 46 Розділ 1. Аналітичний огляд кіберфізичних систем медико- біологічних процесів та їх математичних моделей 57 1.1. Огляд практичних задач, пов’язаних із застосуванням кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 58 1.1.1. Портативні кіберфізичні системи медико-біологічних процесів 59 1.1.2. Кіберфізичні біосенсорні системи для комплексного моніторингу біохімічних показників 60 1.1.3. Кіберфізичні біосенсорні системи для моніторингу прийому лікарських препаратів 62 1.1.4. Кіберфізичні системи медико-біологічних процесів для моніторингу рівня глюкози 63 1.1.5. Селективні елементи кіберфізичних систем медико- біологічних досліджень 68 1.2. Задача проектування та технічні характеристики кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 74 1.3. Математичні моделі біосенсорів у кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 81 1.3.1. Статичні математичні моделі біосенсорів у кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 81 1.3.1.1. Модель оптичного біосенсора на основі поверхневого плазмонного резонансу 81 1.3.1.2. Багатошарова модель оптичного біосенсора 83 1.3.2. Динамічні математичні моделі біосенсорів на основі звичайних диференціальних рівнянь 86 1.3.2.1. Модель біосенсора першого порядку 86 1.3.2.2. Динамічна модель біосенсора другого порядку 89 1.3.3. Динамічні моделі біосенсорів у вигляді диференціальних рівнянь в частинних похідних 91 1.3.3.1. Модель біосенсора на основі рівнянь реакції-дифузії 91 1.3.3.2. Моделі біосенсорів, які використовують кінетику Міхаеліса-Ментена 92 1.3.3.3. Математична модель електрохімічного біосенсора 95 1.3.3.4. Модель біосенсора для визначення рівня глюкози 98 1.3.3.5. Модель для оптимізації розроблення біосенсорних кіберфізичних систем 100 1.3.3.6. Модель біосенсора в циліндричних координатах 101 1.4. Математична модель решітчастої динамічної системи в медико- біологічних дослідженнях 102 1.5. Математична модель Г.І. Марчука та використання її в кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 106 1.6. Властивості, які повинні мати компартментні математичні моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 108 1.7. Висновки до першого розділу 114 Розділ 2. Розробка компартментних математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем 116 2.1. Математичне моделювання медико-біологічних процесів 117 2.2. Математична модель біосенсора на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 120 2.3. Математична модель біосенсора на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 125 2.4. Математична модель біосенсора на гексагональній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 129 2.5. Математична модель біосенсора на гексагональній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 132 2.6. Математична модель компартментних медико-біологічних процесів на основі клітинних автоматів 136 2.7. Модель кіберфізичної системи з атаками стану та вимірювань на основі стохастичних різницевих рівнянь 137 2.8. Ідентифікація параметрів у решітчастих диференціальних рівняннях із запізненням 140 2.9. Математична модель бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 146 2.10. Висновки до другого розділу 149 Розділ 3. Дослідження неперервної та дискретної динаміки компартментних математичних моделей решітчастого типу 151 3.1. Ендемічні стани рівноваги компартментних математичних моделей решітчастого типу в кіберфізичних біосенсорних системах 152 3.1.1. Ендемічні стани рівноваги математичних моделей біосенсора на прямокутній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 152 3.1.2. Ендемічні стани рівноваги математичних моделей біосенсора на гексагональній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 153 3.2. Базові числа репродукції як інструмент дослідження стійкості компартментних математичних моделей решітчастого типу 155 3.3. Умови локальної асимптотичної стійкості компартментних математичних моделей біосенсорів решітчастого типу 159 3.3.1. Умови локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 159 3.3.2. Умови перманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 164 3.3.3. Умови локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 173 3.3.4. Умови перманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 174 3.4. Умови глобальної асимптотичної стійкості компартментних математичних моделей решітчастого типу 175 3.4.1. Умови глобальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 175 3.4.2. Умови глобальної притягувальності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 182 3.5. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в компартментних математичних моделях решітчастого типу 187 3.5.1. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням на прямокутній решітці 187 3.5.2. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням на гексагональній решітці 192 3.5.3. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 193 3.5.4. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 198 3.6. Дослідження на основі чисельних характеристик нелінійної динаміки 199 3.6.1. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 199 3.6.2. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 203 3.6.3. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням різницевих рівнянь на прямокутній решітці 206 3.6.4. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням різницевих рівнянь на гексагональній решітці 207 3.7. Дослідження стійкості математичної моделі бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 211 3.8. Висновки до третього розділу 214 Розділ 4. Розроблення та дослідження математичних моделей динамічної логіки кіберфізичних біосенсорних систем 216 4.1. Концептуальна модель архітектури кіберфізичних систем медико- біологічних процесів 216 4.2. Проектування динамічних процесів в кіберфізичних біосенсорних системах 219 4.3. Принцип вимірювання медико-біологічних показників кіберфізичними біосенсорними системами 222 4.4. Моделювання неперервної динаміки кіберфізичних біосенсорних систем 224 4.5. Основні терміни мови гібридного програмування 225 4.6. Моделі динамічної логіки кіберфізичних біосенсорних систем 228 4.6.1. Динамічне логічне моделювання кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 228 4.6.2. Динамічне логічне моделювання КФБСС на гексагональній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 230 4.7. Експериментальні дослідження математичних моделей динамічної логіки в кіберфізичних системах 232 4.7.1. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 232 4.7.2. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 238 4.7.3. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 243 4.7.4. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 248 4.8. Порівняльний аналіз результатів чисельного моделювання математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем на прямокутній та гексагональній решітках з використанням решітчастих диференціальних рівнянь 253 4.9. Порівняльний аналіз результатів чисельного моделювання математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем на прямокутній та гексагональній решітках з використанням решітчастих різницевих рівнянь 254 4.10. Висновки до четвертого розділу 256 Розділ 5. Розроблення методів дослідження нейромережевих моделей кіберфізичних біосенсорних систем медико-біологічних процесів 258 5.1. Нейромережеві моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів та методи їх дослідження 258 5.2. Модель кіберфізичної біосенсорної системи на основі рекурентної нейромережі 260 5.3. Розроблення методу експоненціального оцінювання рекурентної нейромережі 261 5.3.1. Метод Кертеша та етапи побудови оцінки експоненціального згасання 261 5.3.2. Оцінка для похідної функціонала Ляпунова 262 5.3.3. Різницева нерівність для функціонала Ляпунова 265 5.4. Непрямий метод дослідження стійкості моделі нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 269 5.4.1. Методи дослідження стійкості нейромережевих моделей 269 5.4.2. Модель нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 271 5.4.3. Непрямий метод дослідження стійкості рекурентної нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 273 5.5. Дослідження моделі нейронної мережі з дискретним та неперервним запізненням 282 5.6. Експериментальне дослідження якісної поведінки моделі рекурентної нейромережі 289 5.6.1. Чисельне дослідження динамічної поведінки двонейронної мережі з чотирма дискретними запізненнями 289 5.6.2. Чисельне дослідження динамічної поведінки нейронної мережі з трьома нейронами 291 5.6.3. Чисельне дослідження динамічної поведінки рекурентної двонейронної мережі зі змішаним запізненням 292 5.7. Висновки до п’ятого розділу 296 Розділ 6. Розроблення і дослідження компартментних математичних моделей медико-біологічних процесів лабораторної діагностики 298 6.1. Полімеразно-ланцюгова реакція, як універсальний метод лабораторної діагностики 298 6.2. Розроблення компартментної моделі стадій полімеразно- ланцюгової реакції 304 6.3. Дослідження стійкості полімеразно-ланцюгової реакції 305 6.4. Розроблення алгоритму оптимального керування полімеразно- ланцюговою реакцією 306 6.5. Задача оптимального керування стадією відпалу в ПЛР 307 6.6. Задача оптимального керування стадією елонгації в ПЛР 312 6.7. Чисельне моделювання кіберфізичної системи лабораторної діагностики на прикладі полімерезно-ланцюгової рекції для стадії відпалу 316 6.8. Висновки до шостого розділу 323 Розділ 7. Розроблення програмного забезпечення для реалізації методів математичного моделювання компартментних медико- біологічних процесів 325 7.1. Програмний комплекс для дослідження стійкості КФБСС 326 7.1.1. Розробка програмного комплексу для дослідження стійкості КФБСС 326 7.1.2. Програмний модуль для дослідження фазових площин в КФБСС на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 328 7.1.3. Програмний модуль для дослідження фазових площин в КФБСС на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 331 7.2. Програмний модуль дослідження інтенсивності імунної відповіді 333 7.2.1. Комп’ютерне моделювання контактів антигенів із антитілами в кіберфізичних біосенсорних системах на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 333 7.2.2. Комп’ютерне моделювання контактів антигенів із антитілами в кіберфізичних біосенсорних системах на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 334 7.3. Програмна реалізація вихідних сигналів кіберфізичної системи 336 7.3.1. Програмний комплекс аналізу дискретизованого сигналу з перетворювача КФБСС на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 336 7.3.2. Результати чисельного аналізу електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи 337 7.4. Розроблення та використання програмного забезпечення кіберфізичних систем аналізу біосигналів 338 7.4.1. Програмний комплекс для аналізу біосигналів в поліграфах 338 7.4.2. Використання відкритих ресурсів біосигналів PhysioNet для розробки кіберфізичних систем кардіодіагностики 339 7.5. Телемедичні технології у кіберфізичних системах 343 7.6. Використання методу індукції дерев рішень в кіберфізичних системах для потреб судово-медичної експертної практики 344 7.7. Використання комп’ютерних програм при проектуванні та дослідженні кіберфізичних медико-біологічних систем 346 7.8. Ідентифікація параметрів математичної моделі бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 350 7.9. Дослідження стійкості кіберфізичних біосенсорних систем під впливом електромагнітного випромінювання 354 7.10. Висновки до сьомого розділу 355 Висновки 357 Список використаних джерел 360 Додатки 427 Додаток А. Класифікація та використання кіберфізичних біосенсорних систем 428 A.1. Електрохімічні кіберфізичні біосенсорні системи 428 A.2. Оптичні кіберфізичні біосенсорні системи 429 A.3. Кіберфізичні біосенсорні системи на основі оксиду кремнію 429 A.4. Кіберфізичні біосенсорні системи на основі наноматеріалів 430 A.5. Генетично кодовані кіберфізичні біосенсорні системи 431 A.6. Клітинні кіберфізичні біосенсорні системи 432 A.7. Порівняльний аналіз кіберфізичних біосенсорних систем 433 Додаток Б. Базові числа репродукції математичної моделі біосенсора на прямокутній та гексагональній решітках 437 Б.1. Базові числа репродукції математичної моделі біосенсора на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь 437 Б.2. Базові числа репродукції математичних моделей біосенсора на гексагональній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 440 Додаток В. Доведення умов локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 443 Додаток Д. Доведення квазіперманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 448 Додаток Е. Умови глобальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 453 Додаток Ж. Умови глобальної притягувальності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 461 Додаток И. Фазові діаграми популяцій антигенів щодо антитіл в біопікселях кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці 467 Додаток К. Дослідження кіберфізичної системи з атаками стану та вимірювань на основі стохастичних різницевих рівнянь 473 Додаток Л. Семантика гібридних програм та приклад їх застосування 480 Л.1. Семантика гібридних програм 480 Л.2. Приклад застосування гібридної програми 482 Додаток М. Динамічне логічне моделювання КФБСС на прямокутній та гексагональній решітках 484 М.1. Динамічне логічне моделювання КФБСС на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 484 М.2. Динамічне логічне моделювання КФБСС на гексагональній решітці з використаням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 486 Додаток Н. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 489 Додаток П. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 499 Додаток Р. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 506 Додаток С. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 514 Додаток Т. Етапи створення медичних нейромережевих експертних кіберфізичних систем 522 Додаток У. Ієрархічна модель якісного аналізу решітчастих компартментних математичних моделей кіберфізичних медико- біологічних систем 523 Додаток Ф. Використання пакету R для розроблення та дослідження кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 526 Ф.1. Пакет R як середовище програмування для статистичного аналізу даних 526 Ф.2. Короткий опис функцій пакета R deSolve 528 Ф.3. Приклад моделювання в пакеті R моделі типу Лотки– Вольтерри 529 Додаток Х. Фрагмент програми для дослідження фазових діаграм кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 533 Додаток Ц. Фрагмент програми для дослідження біфуркаційних діаграм в кіберфізичній біосенсорній системі на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 543 Додаток Ш. Фрагмент програми для дослідження фазових діаграм кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 545 Додаток Щ. Фрагмент програми для дослідження біфуркаційних діаграм в кіберфізичній біосенсорній системі на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 554 Додаток Ю. Фрагмент програми для дослідження електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із 556 запізненням Додаток Я. Фрагмент програми для дослідження електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 557 Додаток АА. Список публікацій здобувача за темою дисертації 559 Додаток АБ. Свідоцтва про реєстрацію авторського права на комп’ютерні програми, патент 582 Додаток АВ. Акти впроваджень 597

В умовах переходу до Четвертої промислової революції (Industry 4.0), коли відбувається синергія між фізичним, цифровим та біологічним світом, актуалізується сфера впровадження кіберфізичних систем у виробничі процеси. Тому важливо точно визначити, наскільки кіберфізичні системи стимулюють сестейнову економіку та дають уявлення про майбутні дослідження.

Удосконалено метод захисту передачі даних у кіберфізичній системі із використанням методу словникового стиснення та потокового шифрування. Використання методу кодування для даних кіберфізичної системи перед початком шифрування надає змогу змінити статистичні характеристики вхідної послідовності елементів (довжину повідомлення, об’єм даних, ентропію, ймовірності появи символів), що унеможливлює дешифрування повідомлення. Використання кодування перед шифруванням не дає змогу виділити вхідну тестову послідовність та отримати ключ. Проаналізовано ефективність використання запропонованого методу

У цій роботі розроблена система кіберфізична системи безконтактного вимірювання температури. Спроектований підбір найкращих комплектуючих для цього пристрою, їх встановлення та схематичне розташування.

Мета роботи — це розробити систему та моделі збору данних, аналізу та достовірного прогнозування, що дозволить розпізнавати відомі види атак та анамальну активніть мереж інтернету речей. Було проаналізовано та розроблено модель для аналізу данних з датчиків інтернет речей, розроблено програмну реалізацію, яка дозволяє проаналізувати технічні показники вхідних данних, розпізнати атаки на мережеві компонети кібер-систем. Отримані результати свідчать про придатність цих методів для практичного використання.

Застосування стратегій розумного управління є одним із методів, що широко застосовуються для підвищення енергоефективності будівель. Такі вимоги, як покращення енергоспоживання будинку при збереженні або підвищенні комфорту, пов'язують стратегії управління з присутністю мешканців та їх взаємодією із будівельними системами. Отже, оцінка впливу стратегій управління, орієнтованих на населення, на системи будівель із високим споживанням енергії залежить від моделі поселення, яка походить від моделі використання простору, спричиненої поведінкою мешканців. Це показує прямий зв’язок між схемою заповнення простору та функцією будівельної системи. З метою підвищення ефективності енергетичного моделювання слід вивчити джерело помилок у вхідних даних. Час збору даних та рівень роздільної здатності, що використовується для аналізу зібраних даних, є двома ключовими факторами для розробки точної моделі прогнозування сукупності. З точки зору оптимізації було проведено обмежені дослідження, які використовують алгоритми оптимізації для підвищення ефективності методів енергозбереження.

Метою роботи є проєктування та реалізація програмно-апаратного пристрою контролю руху та освітлення на платформі Arduino в кіберфізичній системі «Розумний будинок». В даній системі використовується велика кількість програмно-апаратних з’єднань, які надають змогу користувачеві керувати системами будинку та підсистемами управління електроенергії.

Об’єктом дослідження є процес контролю витоку води і газу в кіберфізичній системі «Розумний будинок». Предметом дослідження є метод та засоби контролю витоку води і газу в кіберфізичній системі «Розумний будинок». Метою кваліфікаційної роботи є підвищення ефективності контролю витоку води і газу в кіберфізичній системі «Розумний будинок». Для розв’язання поставлених задач використовуються основні положення загальної теорії систем, системного аналізу (ієрархічності, декомпозиції та ін.), теорії моделювання процесів. Внаслідок проведення моделювання процесу та розроблення методів контролю витоку води і газу використано теоретико-множинні підходи, алгебру систем, апарат модельно-орієнтованих підходів, методи концептуального моделювання, принципи побудови баз знань та формування логічного висновку, евристичні оцінки.

Звертаючи увагу на тенденцію розвитку галузі інформаційних технологій за попередні роки, звертаєш увагу і на політику енергоефективності, яка проводиться, як спосіб надання доступних енергетичних послуг. Одним із заходів з підвищення енергоефективності є використання системи «Розумного будинку», що знизить витрати на енергетичні послуги, звільнить ресурси, які в подальшому можна використати на товари чи послуги, де дана потреба вища, та замінити її немає можливості. Також застосування комп’ютерних систем розумного будинку призводить не лише до вирішення екологічних проблем, а й надає зручність користування для споживача, підвищує рівень безпеки за рахунок автоматизації пристроїв, які використовуються в побуті.

Основне завдання роботи полягає у дослідженні кіберфізичних систем, а саме їх взаємодію з пацієнтами. В першому розділі було проведено огляд наукових публікацій. Розглянуто застосування кіберфізичних систем у сучасному світі, у таких галузях, як автомобільна промисловість, повітряний транспорт, розумній мережі та медицині. У другому розділі розглядається сучасний стан досліджень та розробок недорогих біосенсорних систем моніторингу стану здоров’я шляхом узагальнення та порівняльної характеристики найбільш перспективних поточних досягнень кількох світових проектів та комерційних продуктів.
The main task of the work is to study cyberphysical systems, namely their interaction with patients. The first section reviewed scientific publications. The application of cyberphysical systems in the modern world, in such areas as the automotive industry, air transport, smart grid and medicine is considered. The second section examines the current state of research and development of low-cost biosensor health monitoring systems by summarizing and comparative characteristics of the most promising current achievements of several global projects and commercial products.
1 АНАЛІЗ НАУКОВИХ ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДОСЛІДЖЕННЯ ...9 1.1 Кіберфізична система та розумне місто ...9 1.2 Кіберфізичні системи у сучасному світі ...12 1.2.1 Кіберфізичні системи в автомобільній промисловості ...13 1.2.1 Системи повітряного транспорту наступного покоління (NextGen) ... 16 1.2.3 Розумна мережа та відновлювана енергія...17 1.2.4 Біомедичні системи та системи охорони здоров’я ...19 1.3 Еволюція медичних приладів ...20 1.3.1 Майбутні медичні вироби: високоміцні кіберфізичні системи ...21 1.4 Висновки до першого розділу ...25 2 СЕНСОРНІ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ЗДОРОВ’Я ...26 2.1 Фізіологічні системи та біосенсори ...28 2.1.1 Бездротовий зв'язок стандарту WHMS ...30 2.1.3 Системи на основі смарт-текстилю ...37 2.1.4 Огляд носимих систем моніторингу здоров'я ...47 2.2 Висновки до другого розділу ...55 3 ОХОРНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ...57 3.1 Охорона праці. Психологічні та фізіологічні особливості користувачів комп’ютеризованих систем, методи зниження професійного стресу ...57 3.2 Безпека в надзвичайних ситуаціях. Фактори ризику і можливі порушення здоров’я користувачів комп’ютерної мережі ...61 3.3 Висновки до третього розділу ...64 ВИСНОВКИ ...66 ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ...7 ДОДАТКИ ...1

Роботу виконано на кафедрі кібербезпеки Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України Керівник роботи: кандидат фізико-математичних наук, доцент, зав. кафедри фізики ТНТУ ім. І. Пулюя Скоренький Юрій Любомирович Рецензент: кандидат технічних наук, доцент, декан ФІС ТНТУ ім. І. Пулюя Баран Ігор Олегович
Метою кваліфікаційної роботи є удосконалення технології оцінки ризиків інформаційної безпеки КФС та розроблення рекомендацій щодо оцінки ризиків при прототипуванні КФС та мінімізації ризиків при експлуатації КФС. В процесі дослідження використано загальнонаукові методи пізнання: порівняння, системний аналіз, моделювання. Також були проведені експериментальні вимірювання та здійснено математичне опрацювання з метою отримання кількісної оцінки стану інформаційної безпеки. На основі проведеного порівняльного аналізу з врахуванням специфіки кіберфізичних систем обрано методи оцінки ризиків CRAMM та FoMRA. Створено прототип на платформі Arduino та проведено його тестування щодо придатності для забезпечення захисту і безпечного функціонування інформаційно-телекомунікаційних систем. Для виявлених ризиків було розроблено контрзаходи, при виконанні яких система може вважатися безпечною.
The purpose of the qualification work is to improve the technology of risk assessment for information security of CPS and to develop recommendations for risk assessment in prototyping of CPS and minimization of risks during CPS use. During the research, general scientific methods of comparison, system analysis, modeling were used. Experimental measurements were also performed and mathematical processing was done in order to obtain a quantitative assessment of information security. Based on the conducted comparative analysis, taking into account the peculiarities of cyberphysical systems, the methods of CRAMM and FoMRA risk assessment were chosen. A prototype was created on the Arduino platform and tested to ensure the protection and safe operation of information and telecommunications systems. Countermeasures have been proposed for the identified risks to ensure information safety of the system.
ВСТУП .... 9 1 АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА .... 11 1.1 Загальна характеристика та призначення КФС ...11 1.2 Архітектура КФС ...13 1.3 Атаки на КФС .....15 1.4 КФС на платформі Arduino .... 18 1.5 Методи оцінки ризику безпеки для КФС .. 20 2 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА .. 24 2.1 Підходи до рівнів організації КФС . 24 2.2 Аналіз можливих загроз для КФС .... 25 2.2.1 Ієрархічний аналіз вразливостей .... 25 2.2.2 Аналіз потоку даних .. 27 2.2.3 Потенційні точки входу для атак в КФС ..... 27 2.3 Опис теоретичного дослідження. Вибір методів ...29 2.3.1 Спрощена формальна модель аналізу ризиків (FoMRA) ...29 2.3.2 Спрощена модель оцінки ризику CRAMM .... 32 2.4 Опис спроєктованої КФС для оцінки ризиків ...... 36 3 ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА... 40 3.1 Тестування точності показів датчиків ...40 3.2 Оцінка ризиків методом FoMRA .... 45 3.3 Метод оцінки ризиків CRAMM .... 49 3.4 Контрзаходи та рекомендації для усунення виявлених ризиків .. 52 3.5 Обґрунтування отриманих результатів ..... 55 4 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ....56 4.1 Охорона праці .... 56 4.1.1 Протипожежні заходи для кіберфізичних систем .. 56 4.2 Безпека в надзвичайних ситуаціях .... 59 4.2.1 Заходи та засоби направлені для зменшення деструктивних дій радіоактивного випромінювання на апаратне забезпечення кіберфізичних систем ...... 59 ВИСНОВКИ .... 63 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ..... 64 ДОДАТКИ ..... 70 Додаток А – Скетч програми .... 71 Додаток Б – Схема з’єднань КФС .86 Додаток В – Схема підключення безперебійника з захистом від розряду .. 87 Додаток Г – Скетч програми для тестування PIR-датчика ..... 88 Додаток Д - Ревізійна анкета для аудиту безпеки системи.... 93 Додаток Е – Розрахунок зважених значень міри для можливих загроз ... 94 Додаток Є – Результати оцінки рівня загроз та рівня ризику .... 95 Додаток Ж .... 96 Додаток З ...97

В даному матеріалі розглянуто розробку кіберфізичної моделі на базі Індустрії 4.0 для виробничої лінії на основі конструкції та підбору компонентів виробничої лінії SMT монтажу. Дослідження по кіберфізифікації виробництва виконуються в рамках розробки і впровадження в промисловість ідей і рішень, спрямованих на створення «розумних підприємств», що володіють новими виробничими технологіями.