Застосування нейрокомп’ютинга на етапі побудови метамоделей в процесі оптимального сурогатного синтезу антен

Ключові слова: синтез антен, сурогатна оптимізація, метамодель, комп’ютерний план експерименту, ЛПτ-послідовність, поверхня відгуку, нейронна мережа

Анотація

Запропонована обчислювальна технологія побудови метамоделей для задач оптимального синтезу антен. Дана обчислювальна технологія створена з використанням методів інтелектуального аналізу даних, штучного інтелекту та сучасних комп’ютерних методів планування експерименту. Для побудови апроксимаційної моделі застосовано математичний апарат штучних нейронних мереж, а саме RBF-мережі. Комп’ютерний план експерименту виконано за допомогою $ЛП_\tau$-послідовностей Соболя $(\xi_1, \xi_2)$, які в загальному випадку рівномірно заповнюють точками простір пошуку в одиничному гіперкубі. Верифікація запропонованої технології виконана на тестових функціях цілі двох змінних. Отримані метамоделі мають достатньо високу точність апроксимації та покращену обчислювальну ефективність. Створена обчислювальна технологія побудови метамоделей забезпечує високу швидкість моделювання, що робить можливим реалізацію процедури оптимального синтезу антен. Ця технологія є ефективною та коректною для більш складних задач апроксимації багатовимірних гіперповерхонь.

Біографії авторів

V. Ya. Halchenko, Черкаський державний технологічний університет

Гальченко В. Я., д.т.н., професор кафедри приладобудування, мехатроніки та комп'ютеризованих технологій

R. V. Trembovetska, Черкаський державний технологічний університет

Трембовецька Р. В., к.т.н., доцент кафедри приладобудування, мехатроніки та комп'ютеризованих технологій

V. V. Tychkov, Черкаський державний технологічний університет

Тичков В. В., к.т.н., доцент кафедри приладобудування, мехатроніки та комп'ютеризованих технологій

Посилання

Перелік посилань

Зелкин Е.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом / Е.Г. Зелкин, В.Г. Соколов. - М. : Советское радио, 1980. - 296 с.

Rahmat-Samii Y. Special Issue on Synthesis and Optimization Techniques in Electromagnetic and Antenna System Design / Y. Rahmat-Samii, C. Christodoulou // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2007. - Vol. 55, pp. 518-522.

Газизов Т.Т. Синтез оптимальных проводных антенн / Т.Т. Газизов. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники. - 2013. - 120 с.

Андрийчук М.И. Синтез антенн по амплитудной диаграмме направленности. Численные методы и алгоритмы / М.И. Андрийчук, Н.Н. Войтович, П.А. Савенко, В.П. Ткачук. - К. : Наук. думка, 1993. - 256 с.

Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. - М. : Физматлит, 2012. - 432 c.

Ильинский А.С. Математические модели электродинамики // А.С. Ильинский, В.В. Кравцов, А.Г. Свешников. - М. : Высшая школа. - 1991. - 224 с.

Гальченко В.Я. Использование генетических алгоритмов в структурном синтезе источников магнитных полей с заданными свойствами / В.Я. Гальченко, М.А. Воробъев // Информационные технологии. - 2003. - № 7. - С. 7-12.

Galchenko V.Ya. Structural Synthesis of Attachable Eddy-Current Probes with a Given Distribution of the Probing Field in the Test Zone / V.Ya. Galchenko, M. A. Vorob’ev // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2005. - Vol. 41, No 1. - pp. 29–33.

Galchenko V.Ya. Solution of the Inverse Problem of Creating a Uniform Magnetic Field in Coercimeters with Partially Closed Magnetic Systems / V.Ya. Galchenko, A.N. Yakimov, D.L. Ostapushchenko // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2011. - Vol. 47, No 5. - pp. 295–307.

Galchenko V.Ya. Pareto-Optimal Parametric Synthesis of Axisymmetric Magnetic Systems with Allowance for Nonlinear Properties of the Ferromagnet / V.Ya. Galchenko, A.N. Yakimov, D.L. Ostapushchenko // Technical Physics. - 2012. - Vol. 57, No 7. - pp. 893–899.

Гарифуллин М.Р. Суррогатное моделирование в строительстве / М.Р. Гарифуллин, Е.А. Наумова, О.В. Жувак, А.В. Барабаш // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2016. - №2 (41). - С. 118-132.

Бурнаев Е.В. Сравнительный анализ процедур оптимизации на основе гауссовских процессов [Электронный ресурс] / Е.В. Бурнаев, М. Панов, Д. Кононенко, И. Коноваленко. - Режим доступа : http://itas2012.iitp.ru/pdf/1569602385.pdf

Бурнаев Е.В. Методология построения суррогатных моделей для аппроксимации пространственно-неоднородных функций / Е.В. Бурнаев, П.В. Приходько // Труды МФТИ. Информатика, математика. - 2013. - Т. 5, No 4. - С. 122-132.

Бедринцев А.А. Выпуклая аппроксимация пространства дизайна в задаче оптимизации крыла самолета / А.А. Бедринцев, В.В. Чепыжов // Информационные процессы. - 2016. - т. 16, № 2. - С. 91-102.

Бондаренко М.А. Методы оптимизации с применением поверхностей отклика, адаптированные к решению задач анализа и синтеза конструктивных параметров тонкостенных машиностроительных конструкций / М.А. Бондаренко // Вісник Нац. техн. ун-ту "ХПІ": зб. наук. пр. Сер.: Нові рішення в сучасних технологіях. - 2016. - № 42 (1214). - С. 22-28.

Bandler J. Space Mapping, The State of the Art // J. Bandler, Q. Cheng, S. Dakroury, A. Mohamed, M. Bakr, K. Madsen, J. Sondergaard // IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. - 2004. - Vol. 52, No. 1. - pp. 337-361.

Bandler J.W. A space-mapping interpolating surrogate algorithm for highly optimized EM-based design of microwave devices / J.W. Bandler, D.M. Hailu, H. Madsen, F. Pedersen // IEEE Transactions on MTT. - 2004. - Vol. 52. - P. 2593-2600.

Bakr M.H. Neural space mapping EM optimization of microwave structures / M.H. Bakr, J.W. Bandler, M.A. Ismail, J.E. Rayas-Sánchez, Q.J. Zhang // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Boston, MA, Jun. - 2000. - p. 879-882.

Queipo N.V. Surrogate-based analysis and optimization / N.V. Queipo, R.T. Haftka, W. Shyy, T. Goel, R. Vaidyanathan, P.K. Tucker // Progress in Aerospace Sciences. - 2005. -Vol. 41 - №. 1 - pр. 1-28.

Coleman C.M. Investigation of Simulated Annealing, Ant-Colony Optimization, and Genetic Algorithms for Self-Structuring Antennas / C.M. Coleman, E.J. Rothwell, J.E. Ross // IEEE Transactions on Antennas and Propagation - 2004 - Vol. 52, No 4. - P. 1007-1014.

Kabir H. Smart modeling of microwave devices / H. Kabir, L. Zhang, M. Yu, P.H. Aaen, J. Wood, Q.J. Zhang // IEEE Microwave Magazine. - 2010. - Vol. 11, No 3. - P. 105–118.

Bo L. SADEA-II: A generalized method for efficient global optimization of antenna design / L. Bo, S. Koziel, A. Nazar // Journal of Computational Design and Engineering. - 2017. - Vol. 4. № 2. - pp. 86-97.

Дубровка Ф.Ф. Нейронно-генетичний метод синтезу антен та пристроїв НВЧ / Ф.Ф. Дубровка, Д.О. Василенко // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія: Радіотехніка. Радіоапаратобудування. - 2008. - No 36. - С. 60-66.

Дубровка Ф.Ф. Синтез ультраширокосмугової планарної дипольної bow-tie антени нейронно-генетичним методом / Ф.Ф. Дубровка, Д.О. Василенко // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія: Радіотехніка. Радіоапаратобудування. - 2008. - № 37. - С. 53-60.

Дубровка Ф.Ф. Конструктивный синтез планарных антенн с помощью природных алгоритмов оптимизации / Ф.Ф. Дубровка, Д.О. Василенко // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2009. - No 4 - С. 3-22.

Vasylenko D.O. Genetic algorithm based inversion of neural networks applied to the optimized design of UWB planar antennas / D.O. Vasylenko, P. Edenhofer, F.F. Dubrovka // Electronics Letters. - 2008. - Vol. 44, No 3. - P. 177–179. DOI:10.1049/el:20083395

Han G. Perturbation alternating projections method for pattern synthesis of phased array antenna / G. Han, W. Wu, B. Du // 5th Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM 2012). - 2012. - P. 385-388. - DOI:10.1109/GSMM.2012.6314080

Целых В.Р. Многомерные адаптивные регрессионные сплайны / В.Р. Целых // Машинное обучение и анализ данных. - 2012. - т.1, No 3. - С. 272-278.

Афонин П.В. Оптимизация моделей сложных систем на основе метаэвристических алгоритмов и нейронных сетей / П.В. Афонин // Инженерный вестник. - 2016. - No 11. - С. 508-516.

Хайкин С. Нейронные сети: полный курс / С. Хайкин. - М. : Издательский дом ``Вильямс'', 2006. - 1104 с.

Беляев М.Г. Аппроксимация многомерных зависимостей по структурированным выборкам / М.Г. Беляев // Искусственный интеллект и принятие решений. - 2013. - No 3. - С. 24–39.

Беляев М.Г. Особенности оптимизационной задачи, возникающей при построении аппроксимации многомерной зависимости / М.Г. Беляев, А.Д. Любин // Тр. конф. "Информационные Технологии и Системы". - 2011. - С. 415–422.

Соболь И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И.М. Соболь., Р.Б. Статников [2-е изд., перераб. и доп.]. - М. : Дрофа, 2006. - 175 с.

Радченко С.Г. Методология регрессионного анализа / С.Г. Радченко. - К. : ``Корнійчук'', 2011. - 376 с.

Трембовецька Р.В. Застосування MLP-метамоделей в задачах сурогатної оптимізації / Р.В. Трембовецька, В.Я. Гальченко, В.В. Тичков // Молодий вчений. - 2018. - №2 (54). - С. 32-39.

References

Zelkin E.G., Sokolov V.G. (1980) Metody sinteza antenn. Fazirovannye antennye reshetki i antenny s nepreryvnym raskryvom [Methods of Synthesizing Antennas. Fixed Antenna Arrays and Antennas with Continuous Opening]. Moskow, Soviet radio, 296 p.

Rahmat-Samii Y. and Christodoulou C. (2007) Guest Editorial for the Special Issue on Synthesis and Optimization Techniques in Electromagnetics and Antenna System Design. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, Iss. 3, pp. 518-522. DOI: 10.1109/tap.2007.891879

Gazizov T.T. (2013) Sintez optimal'nykh provodnykh antenn [Synthesis of Optimal Wired Antennas]. Tomsk, 120 p.

Andriichuk M.I., Voitovich N.N., Savenko P.A. and Tkachuk V.P. (1993) Sintez antenn po amplitudnoi diagramme napravlennosti. Chislennye metody i algoritmy [Synthesis of Antennas from the Amplitude Pattern. Numerical Methods and Algorithms]. Kyiv, Naukova dumka, 256 p.

Grigor'ev A.D. (2012) Metody vychislitel'noi elektrodinamiki [Methods of Computational Electrodynamics]. Moskow, Fizmathlit, 432 p.

Il'inskii A.S., Kravtsov V.V. and Sveshnikov A.G. (1991) Matematicheskie modeli elektrodinamiki [Mathematical Models of Electrodynamics]. Moskow, Vysshaya shkola, 224 p.

Gal'chenko V.Ya. and Vorob'ev M.A. (2003) Ispol'zovanie geneticheskikh algoritmov v strukturnom sinteze istochnikov magnitnykh polei s zadannymi svoistvami [The use of genetic algorithms in the structural synthesis of sources of magnetic fields with specified properties]. Informatsionnye tekhnologii}, No 7, pp. 7-12.

Gal'chenko V.Y. and Vorob'ev M.A. (2005) Structural synthesis of attachable eddy-current probes with a given distribution of the probing field in the test zone. Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 41, Iss. 1, pp. 29-33. DOI: 10.1007/s11181-005-0124-7

Galchenko V.Y., Yakimov A.N. and Ostapushchenko D.L. (2011) Solution of the inverse problem of creating a uniform magnetic field in coercimeters with partially closed magnetic systems. Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 47, Iss. 5, pp. 295-307. DOI: 10.1134/s1061830911050056

Gal’chenko V.Y., Yakimov A.N. and Ostapushchenko D.L. (2012) Pareto-optimal parametric synthesis of axisymmetric magnetic systems with allowance for nonlinear properties of the ferromagnet. Technical Physics, Vol. 57, Iss. 7, pp. 893-899. DOI: 10.1134/s1063784212070110

Garifullin M.R., Naumova E.A., Zhuvak O.V. and Barabash A.V. (2016) Surrogate modeling in construction. Construction of Unique Buildings and Structures, No 2 (41), pp. 118-132. (in Russian)

Burnaev E.V., Panov M., Kononenko D. and Konovalenko I. (2012) Comparative analysis of optimization procedures based on Gaussian processes. Informatsionnye tekhnologii i sistemy pp. 167-172. (in Russian)

Burnaev E.V. and Prikhod'ko P.V. (2013) Metodologiya postroeniya surrogatnykh modelei dlya approksimatsii prostranstvenno-neodnorodnykh funktsii [Methodology for constructing surrogate models for the approximation of spatially inhomogeneous functions]. Trudy MFTI. Informatika, matematika, Vol. 5, No 4, pp. 122-132.

Bedrintsev A. and Chepyzhov V. (2016) Convex approximation of the design space in the aircraft wing optimization problem. Informatsionnye protsessy. Vol. 16, No 2, pp. 91-102.

Bondarenko M. (2016) Optimization methods using response surfaces adapted to the tasks of analysis and synthesis of thin-walled machine structures design parameters. Bulletin of the National Technical University «KhPI» Series: New solutions in modern technologies, Iss. 42 (1214), pp. 22-28. DOI: 10.20998/2413-4295.2016.42.04

Bandler J., Cheng Q., Dakroury S., Mohamed A., Bakr M., Madsen K. and Sondergaard J. (2004) Space Mapping: The State of the Art. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, Iss. 1, pp. 337-361. DOI: 10.1109/tmtt.2003.820904

Bandler J., Hailu D., Madsen K. and Pedersen F. (2004) A Space-Mapping Interpolating Surrogate Algorithm for Highly Optimized EM-Based Design of Microwave Devices. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, Iss. 11, pp. 2593-2600. DOI: 10.1109/tmtt.2004.837197

Bakr M., Bandler J., Ismail M., Rayas-Sanchez J. and Zhang Q. () Neural space mapping EM optimization of microwave structures. 2000 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (Cat. No.00CH37017). DOI: 10.1109/mwsym.2000.863320

Queipo N.V., Haftka R.T., Shyy W., Goel T., Vaidyanathan R. and Tucker P.K. (2005) Surrogate-based analysis and optimization. Progress in Aerospace Sciences, Vol. 41, Iss. 1, pp. 1-28. DOI: 10.1016/j.paerosci.2005.02.001

Coleman C., Rothwell E. and Ross J. (2004) Investigation of Simulated Annealing, Ant-Colony Optimization, and Genetic Algorithms for Self-Structuring Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 52, Iss. 4, pp. 1007-1014. DOI: 10.1109/tap.2004.825658

Kabir H., Zhang L., Yu M., Aaen P., Wood J. and Zhang Q. (2010) Smart Modeling of Microwave Devices. IEEE Microwave Magazine, Vol. 11, Iss. 3, pp. 105-118. DOI: 10.1109/mmm.2010.936079

Liu B., Koziel S. and Ali N. (2017) SADEA-II: A generalized method for efficient global optimization of antenna design. Journal of Computational Design and Engineering, Vol. 4, Iss. 2, pp. 86-97. DOI: 10.1016/j.jcde.2016.11.002

Dubrovka, F. F., Vasylenko, D. O. (2008) Neural-genetic method for synthesis of antennas and microwave devices. Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv., no. 36, pp. 60-66. (in Ukrainian) DOI: 10.20535/RADAP.2018.72.42-46

Dubrovka, F. F., Vasylenko, D. O. (2008) Synthesis of ultrawideband planar dipole bow-tie antenna by neural-genetic method. Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv., no. 37, pp. 53-60. (in Ukrainian) DOI: 10.20535/RADAP.2008.37.53-60

Dubrovka F.F. and Vasylenko D.O. (2009) Synthesis of UWB planar antennas by means of natural optimization algorithms. Radioelectronics and Communications Systems, Vol. 52, Iss. 4, pp. 167-178. DOI: 10.3103/s0735272709040013

Vasylenko D., Edenhofer P. and Dubrovka F. (2008) Genetic algorithm based inversion of neural networks applied to optimised design of UWB planar antennas. Electronics Letters, Vol. 44, Iss. 3, pp. 177. DOI: 10.1049/el:20083395

Guodong H., Wei W. and Biao D. (2012) Perturbation alternating projections method for pattern synthesis of phased array antenna. Proceedings of 2012 5th Global Symposium on Millimeter-Waves. DOI: 10.1109/gsmm.2012.6314080

Tselykh V.R. (2012) Multivariate adaptive regression splines. Mashinnoe obuchenie i analiz dannykh, Vol. 1, No 3, pp. 272-278. (in Russian)

Afonin P.V. (2016) Optimizatsiya modelei slozhnykh sistem na osnove metaevristicheskikh algoritmov i neironnykh setei [Optimization of models of complex systems based on meta-heuristic algorithms and neural networks]. Inzhenernyi vestnik, No 11, pp. 508-516.

Haykin S. (1998) Neural networks. A comprehensive foundation (2nd Edition), Prentice Hall, 864 p.

Belyaev M.G. (2013) Approksimatsiya mnogomernykh zavisimostei po strukturirovannym vyborkam [Approximation of multivariate dependencies on structured samples]. Iskusstvennyi intellekt i prinyatie reshenii, No 3, pp. 24–39. Approximation problem for factorized data. No 3, pp. 24–39.

Belyaev M.G. and Lyubin A.D. (2011) Osobennosti optimizatsionnoi zadachi, voznikayushchei pri postroenii approksimatsii mnogomernoi zavisimosti [Features of the optimization problem arising in the construction of the approximation of a multidimensional dependence]. Informatsionnye Tekhnologii i Sistemy, pp. 415–422.

Sobol' I.M. and Statnikov R.B. (2006) Vybor optimal'nykh parametrov v zadachakh so mnogimi kriteriyami [The choice of optimal parameters in problems with many criteria]. Moskow, Drofa, 175 p.

Radchenko S.G. Metodologiya regressionnogo analiza [The methodology of regression analysis: monograph]. Kyiv, Kornіichuk, 376 p.

Trembovetska R.V., Halchenko V.Ya. and Tychkov V.V. (2018) Zastosuvannia MLP-metamodelei v zadachakh surohatnoi optymizatsii [Application of MLP-metamodels in surrogate optimization tasks]. Molodyi vchenyi, No 2 (54), pp. 32-39.

Опубліковано
2018-09-30
Номер
Розділ
Обчислювальні методи в радіоелектроніці