Перегляд за Автор "Kozelskyi, O.V."
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Методи та засоби планування задач і підвищення ефективності операційних систем реального часу(Хмельницький національний університет, 2026) Козельський, О.В.; Kozelskyi, O.V.У дисертації здійснено аналіз методів планування задач і підвищення ефективності операційних систем реального часу (ОСРЧ). У роботі удосконалено архітектуру планувальника задач шляхом залучення зовнішнього модуля машинного навчання, розроблено метод динамічного розподілу задач і ресурсів в ОСРЧ на основі тензорної декомпозиції, метод превентивного відновлення компонентів ОСРЧ, а також метод виявлення фальсифікацій та аномалій у комп’ютерних системах для сигналів кіберфізичних систем (КФС) на основі модифікованого комбінованого фільтра Калмана з подієвим перемиканням режимів при збереженні детермінованості виконання задач реального часу. Об’єктом дослідження є процеси функціонування операційних систем реального часу в кіберфізичних системах в умовах інтенсивних змін станів. Предметом дослідження є методи та засоби адаптивного планування задач і розподілу ресурсів на основі багатовимірного аналізу навантаження, превентивного відновлення компонентів із прогнозуванням станів, а також виявлення аномалій і фальсифікацій сенсорних даних в ОСРЧ для КФС. Метою дисертаційного дослідження є підвищення ефективності використання ресурсів, безперервності та надійності роботи ОСРЧ у КФС з інтенсивними змінами станів шляхом розроблення методів адаптивного планування, динамічного розподілу ресурсів, превентивного відновлення, виявлення аномалій та фальсифікацій. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1) розроблено удосконалену архітектуру планувальника задач із залученням зовнішнього модуля машинного навчання, яка, на відміну від традиційних архітектур ОСРЧ, передбачає винесення аналітичних обчислень за межі мікроконтролера та формування зворотного каналу самоадаптації, що забезпечує збирання багатовимірної телеметрії, її перетворення у тензорні подання та адаптивне оновлення параметрів планувальника без втручання користувача і дає змогу враховувати багатовимірну динаміку навантаження під час керування ресурсами, усуваючи обмеження, зумовлені обчислювальними ресурсами мікроконтролерних платформ, при цьому зберігаючи детермінованість виконання задач у критичному контурі реального часу; 2) вперше розроблено метод динамічного розподілу задач і ресурсів в ОСРЧ на основі тензорної декомпозиції, який використовує багатовимірні моделі системного навантаження для прогнозування поведінки задач з урахуванням взаємозв’язків між параметрами з наступним формуванням рішення на основі їх комплексного аналізу, що на відміну від існуючих алгоритмів розподілу ресурсів, які базуються переважно на одномірних метриках або локальних характеристиках задач, дає змогу скоротити час виконання, зменшити навантаження на процесор та підвищити ефективність використання ресурсів системи; 3) вперше розроблено метод превентивного відновлення компонентів ОСРЧ, який поєднує низькорозмірну марковську модель прогнозування станів із багаторівневим сторожовим контролем, що на відміну від традиційних watchdog-схем, які реагують лише після зупинки або зависання, дозволяє завчасно оцінювати ризик відмови та локально програмно ініціювати апаратний перезапуск з формалізацією індексу стану, перехідних ймовірностей та політик ескалації, зберігаючи при цьому низьку обчислювальну складність, придатну для мікроконтролерів у реальному часі; 4) набув подальшого розвитку метод виявлення фальсифікацій та аномалій у комп’ютерних системах для сигналів КФС на основі модифікованого комбінованого фільтра Калмана з подієвим перемиканням режимів, який, на відміну від поширених багатомодельних або адаптивних фільтрів, не потребує одночасного запуску набору моделей і забезпечує селективне пригнічення підозрілих вимірів на основі аналізу інновацій, що дає змогу відрізняти нормальні режимні зміни від зловмисних відхилень шляхом оперативної зміни режиму оцінювання, зберігати низьку обчислювальну складність, необхідну для мікроконтролерів у системах реального часу, забезпечувати швидке реагування, зменшувати кількість хибних тривог і робить метод придатним до впровадження у ресурсообмежених КФС. Практичне значення отриманих результатів. За результатами виконаних досліджень здобувачем удосконалено архітектуру планувальника задач шляхом залучення зовнішнього модуля машинного навчання, з адаптивним керуванням розподілу задач і ресурсів без збільшення навантаження на мікроконтролер і без порушення детермінованості виконання задач реального часу. Це дало змогу створювати ОСРЧ з покращеними характеристиками використання обчислювальних ресурсів, що проявляється у зменшенні сумарного часу виконання задач, зниженні навантаження на процесор і скороченні використання оперативної пам’яті під час роботи системи. Застосування методу динамічного розподілу задач і ресурсів в ОСРЧ на основі тензорної декомпозиції забезпечило покращення використання обчислювальних ресурсів за рахунок більш рівномірного розподілу обчислювальних фаз задач у часі. За результатами першої серії експериментів середнє значення завантаженості процесора зменшилося на 3,94 %, середній час виконання задач зменшився на 10,86 %, тоді як використання пам’яті збільшилося на 0,87 %. У другій серії експериментів зниження використання процесора становило 13,08 %, зменшення часу виконання задач становило 3,61 %, при збільшенні використання пам’яті на 0,51 %. Інтегральний показник ефективності, визначений як середнє відносне покращення показників використання процесора, пам’яті та часу виконання задач, за результатами двох серій експериментів становив 5,19 %, що підтверджує доцільність застосування запропонованого методу для підвищення ефективності функціонування ОСРЧ в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Застосування методу превентивного відновлення компонентів ОСРЧ на основі низькорозмірної марковської моделі та дворівневого програмно-апаратного сторожового механізму дозволило зменшити частку простою системи з 4,5 % до 1,37 %, що відповідає скороченню простою на 69,63 % та прискоренню відновлення у 3,29 раза порівняно з традиційним апаратним сторожовим таймером. Додаткове навантаження на процесор не перевищувало 1,4 %. Застосування методу виявлення фальсифікацій та аномалій у сигналах КФС на основі модифікованого комбінованого фільтра Калмана з подієвим перемиканням режимів дозволило підвищити ефективність виявлення аномалій та фальсифікацій при умовах ЗПЗ у цифрових сигналах, забезпечивши найвищу інтегральну ефективність (І= 9,17) серед порівнюваних методів, перевищивши класичний фільтр Калмана (5,71), адаптивний фільтр Калмана (7,52), H∞-фільтр (1,71) та подієво-керований фільтра Калмана (5,18). При цьому відносна ефективність запропонованого методу порівняно з адаптивним фільтром Калмана, який показав найкращу ефективність серед інших зросла приблизно на 21,94%. Теоретичні та практичні результати дослідження впроваджені у прототипі ОСРЧ на базі STM32F407 з використанням FreeRTOS в ТОВ Ультра ІТ (Акт від 13.11.2025), ТОВ ДЕВІКС ДІДЖИТАЛ (Акт від 18.11.2025), ТОВ Nolt technologies (Акт від 30.12.2025), в освітньому процесі Хмельницького національного університету (Акт від 02.12.2025) на кафедрі комп’ютерної інженерії та інформаційних систем при викладанні дисциплін «Технічна діагностика і надійність комп’ютерних пристроїв», «Безпека та захист комп’ютерних систем», а також, в освітньому процесі у блоці військово-спеціальних дисциплін та використані при удосконаленні навчально-лабораторного комплексу другої кафедри Другого навчально-наукового інституту Військової академії імені Євгена Березняка (Акт від 18.12.2025). У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, пов’язану з потребою підвищення ефективності, надійності та захисту ОСРЧ в КФС з інтенсивними змінами станів. Визначено мету, завдання, об’єкт і предмет дослідження, спрямовані на створення самоадаптивних ОСРЧ, здатних прогнозувати збої, ефективно використовувати ресурси та протидіяти зловмисним впливам. Подано наукову новизну, висвітлено практичне значення отриманих результатів, а також представлено зв’язок тематики дослідження з науковими напрямами, у межах яких працюють відомі дослідники цієї проблеми. У першому розділі подано аналітичний огляд сучасних ОСРЧ та КФС, розглянуто їх архітектурні особливості, класифікацію, підходи до планування задач і забезпечення відмовостійкості. Проаналізовано існуючі методи моніторингу, самовідновлення та захисту від зловмисних впливів, визначено їх обмеження в умовах інтенсивних змін станів. Узагальнено результати досліджень вітчизняних і зарубіжних учених у сфері підвищення надійності й ефективності ОСРЧ. На основі аналізу сформульовано проблему, яку не розв’язують відомі підходи, та обґрунтовано необхідність розроблення нових методів синтезу ОСРЧ, здатних до самоадаптації, інтелектуальної кластеризації задач і проактивного захисту системи. У другому розділі викладено концептуальні засади удосконалення архітектури ОСРЧ з планувальником задач шляхом залучення зовнішнього аналітичного модуля, а також визначено вимоги до її ефективності, надійності та захищеності в умовах інтенсивних змін станів. Розроблено структурну модель взаємодії компонентів ОСРЧ, описано принципи інтеграції підсистем моніторингу, планування, самовідновлення та аналізу даних. Детально розглянуто метод динамічного розподілу задач і ресурсів на основі тензорної декомпозиції та архітектуру планувальника із зовнішнім модулем, що приймає дані з ОСРЧ, здійснює їх обробку засобами машинного навчання та передає оновлені параметри для подальшої самоадаптації системи. Представлено можливість як зовнішнього, так і внутрішнього розміщення аналітичного модуля без порушення детермінованості системи. У результаті здійснено розроблення інтеграції механізмів тензорного аналізу, кластеризації та адаптивного керування у структуру сучасних ОСРЧ. У третьому розділі подано методи прогнозування збоїв, превентивного перезапуску компонентів і виявлення аномалій та фальсифікацій у цифрових сигналах ОСРЧ. Запропоновано марковську модель прогнозування станів системи, яка дає змогу оцінювати ймовірності переходів між станами системи та реалізовувати локальне відновлення компонентів без повного перезапуску, що забезпечує відмовостійкість системи. Розроблено комбінований фільтр Калмана з подієвим режимом роботи, адаптивним перемиканням моделей і модулем виявлення аномалій. Метод формалізовано як гібридну систему з перемиканнями та подано алгоритм, що виконує прогнозування, аналіз інновацій, перевірку порогів і реакцію системи у разі виявлення аномалій або атак. У четвертому розділі подано експериментальні дослідження запропонованих методів і рішень у складі операційної системи реального часу для КФС. Описано створення прототипу на базі FreeRTOS із реалізованими механізмами інтелектуальної кластеризації, дворівневої відмовостійкості та комбінованого фільтра Калмана. Наведено результати випробувань роботи мікроконтролера, які підтвердили підвищення ефективності розподілу ресурсів, зменшення часу простою та стійкість системи до збоїв і зловмисних впливів. Узагальнено результати експериментів і зроблено висновок про практичну придатність розроблених методів для застосування у вбудованих і КФС. У висновку узагальнено результати дослідження, підтверджено досягнення поставленої мети, сформульовано основні наукові та практичні результати. У додатках наведено перелік наукових праць, в яких представлено наукові результати дослідження, акти впровадження, лістинг програмного забезпечення, таблиці, що містять результати експериментів. Ключові слова: операційна система реального часу, кіберфізична система, інтелектуальна кластеризація, тензорна декомпозиція, відмовостійкість, сторожовий таймер, ланцюг Маркова, комбінований фільтр Калмана, самовідновлення, захист від зловмисного впливу, датчики, інтернет речей, моніторинг.