OLIVOVÁ, J. Multikriteriální optimalizace v EMC [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2011.
Úvod. Předkládaná disertační práce je zaměřena na vypracování originální metodiky syntézy homogenních ekvivalentních náhrad kompozitních struktur. Zatímco dosavadní výzkum v dané oblasti se soustředil na časově náročný vývoj fyzikálních modelů těchto struktur, v disertační práci je navržena původní metodika automatizované syntézy, která kombinuje numerické modelování kompozitních materiálů s globálními multi-kriteriálními optimalizačními algoritmy. Náhrada kompozitů s komplikovanou mikrostrukturou homogenními vrstvami umožňuje analyzovat komerčními elektromagnetickými řešiči elektricky velké objekty, jakými jsou např. letouny s kompozitními částmi skeletu. O původnosti a užitečnosti výzkumu, který je popsán v předkládané disertační práci, svědčí jeho uplatnění v projektu FP7 č. 205294 High Intensity Radiated Fields - Synthetic Environment a v projektu MPO č. FT-TA4/043 Analytický výzkum ohrožení v elektromagneticky integrovaných soustavách. Originalita řešení. Doktorandka navrhla původní metodiku syntézy homogenních náhrad kompozitních materiálů s komplikovanou mikrostrukturou. Navržená metodika se opírá o precizní numerické modelování kompozitního materiálu, které poskytuje informace o kmitočtovém průběhu rozptylových parametrů struktury. Následně je formulována multi-kriteriální optimalizační úloha, jejíž řešení vede na elektrické a magnetické vlastnosti homogenní náhrady se stejnými kmitočtovými průběhy rozptylových parametrů. Při prohledávání dostupných databází (dominantně IEEExplore) jsme neobjevili žádný podobný přístup k řešení problému. Proto jádro disertace považuji za původní. Publikování jádra. Doktorandka publikovala řešení dílčích problémů vedoucích k cíli disertace v příspěvcích ve sbornících mezinárodních konferencí (9 příspěvků), národních konferencí (4 příspěvky) a v impaktovaném časopise Radioengineering (IF = 0,312, dva články). Jádro disertační práce tedy bylo publikováno na dostatečné úrovni. Závěr. Osobně jsem přesvědčen, že předkládaná práce má dobrou úroveň. Proto ji jako školitel doktorandky doporučuji k obhajobě.
Oponentský posudek doktorské disertační práce Ing. Jany Jílkové Předmětem tohoto posudku je doktorská disertační práce Ing. Jany Jílkové s názvem Multikriteriální optimalizace v EMC, která byla předložena na Ústavu radioelektroniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Charakteristika práce Předložená práce svým zaměřením spadá do oblasti evolučních optimalizací aplikovaných na praktické problémy elektromagnetismu. Cílem práce bylo vytvořit metodu pro výpočet ekvivalentní homogenní náhrady kompozitních materiálů, které se používají ke konstrukci letadel. V práci je porovnáno několik optimalizačních algoritmů pro výpočet náhrady. Téma plně odpovídá oboru disertace. Struktura a výsledky práce Práce je rozčleněna do čtyř kapitol a obsahuje 77 stran. Logické členění textu není v některých případech vhodně zvoleno. Doporučoval bych důsledné oddělení (ve formě separátních kapitol) stávajícího poznání od přínosů a experimentálních výsledků autorky. Např. kapitola 3.2.1 obsahuje jak popis metody (evoluční optimalizace) a její použití pro konkrétní problém (evoluční optimalizace homogenní náhrady), tak i shrnutí dosažených výsledků. Definice a popis evolučních algoritmů měly být zpracovány do samostatného celku jako součást kapitoly shrnující současný stav řešené problematiky. Kapitola 1 obsahuje velmi stručný úvod do současného stavu problematiky kompozitních materiálů a jejich modelování. Na obrázku 1 je uveden příklad ekvivalentního obvodového modelu kompozitu, není však vysvětlen význam jednotlivých symbolů. Bohužel nejsou shrnuty současné otevřené problémy v této oblasti, na jejichž základě by mohly být jednoznačně zformulovány hypotézy a cíle práce. V podkapitole 1.3, nazvané "Cíle dizertace", najdeme jen velmi vágně sepsaný postup prací, které by se měly v rámci výzkumu odehrát. Splnění takto formulovaných cílů je prakticky nekontrolovatelné. Např. není vůbec definováno, jakých parametrů, respektive chyby, je třeba dosáhnout, aby bylo možné považovat navržené řešení za dostatečně kvalitní. Přínosem druhé kapitoly nazvané "Kompozitní materiály používané v leteckém průmyslu a jejich modely" jsou vytvořené modely různých kompozitů a jejich podrobné experimentální vyhodnocení v různých prostředích. Rovněž bylo provedeno měření reálného kompozitního materiálu pomocí kruhové koaxiální příruby. Poněkud rozpačitě však vyznívá závěr této kapitoly, kdy se nepodařilo měřením získat výsledky odpovídající výsledkům získaným ze simulátoru. Hlavním nedostatkem této kapitoly je však absence definic základních pojmů, které se používají při modelování kompozitů, a formální vyjádření základních veličin a vztahů. V dalším textu jsou hojně zmiňovány různé veličiny (např. činitelé s11 a s21,), které však nejsou nikde definovány. Obecný výklad plynule přechází do popisu experimentů, které doktorandka provedla, a interpretace výsledků. Zde by bylo opět vhodné jasně oddělit výsledky práce doktorandky od popisu již známých modelů a přístupů. Některá tvrzení (např. "to je časově i graficky velmi náročné" na str. 22 nebo "bylo potřeba počkat velmi dlouhou dobu" na str. 44) by měla být podpořena experimentálně získanými hodnotami. Třetí kapitola popisuje originální metodu získání ekvivalentní náhrady se stejným chováním v elektromagnetickém poli jako zadaný kompozit. Jsou porovnány různé optimalizační algoritmy (genetický algoritmus, diferenciální evoluce, roj částic), přičemž je problém formulován jako jednokriteriální i vícekriteriální optimalizační problém. Při použití evolučních algoritmů je nutné diskutovat vliv nastavení parametrů algoritmu na kvalitu dosažených výsledků. Dále je nutné prokázat, že výsledky jsou statistiky významné a nešlo jen o náhodu. Toto však v disertaci nenajdeme. V práci jsou výsledky prezentovány způsobem jako by byl algoritmus deterministický! Dále mám řadu technických výhrad k aplikaci a prezentaci evoluční optimalizace: " V případě vícekriteriální optimalizace využívající váhy není zdůvodněna volba nastavení těchto vah pro jednotlivá kritéria. " Postrádám zdůvodnění, proč stačí uvažovat pouze 40 bitů pro zakódování řešení (Je opravdu přesnost dostačující?). " Postrádám informaci o typu rozdělení pravděpodobnosti a rozsahu hodnot generovaných generátorem pseudonáhodných čísel (rand). " V případě použití vícekriteriálního přístupu není definována relace dominance. " Vhodné by bylo doplnit obrázek s výslednou Pareto frontou. " Není zdůvodněno použití relativně zastaralého algoritmu NPGA. " Tabulka 4 by měla porovnat rychlost konvergence, ale obsahuje pouze dobu simulace a přesnost výpočtu náhrady. " Není zdůvodněno, proč je fitness funkce formulována jako suma kvadrátů odchylek naměřené a referenční hodnoty a ne např. jako suma "zásahů" (hits), kdy se do fitness hodnoty přičte jeden bod v případě, že odchylka naměřené hodnoty od referenční hodnoty je menší než zadaná konstanta (což je často používaná fitness funkce pro návrh analogových filtrů pomocí genetického programování). Některá tvrzení jsou nepodložena, např. " Na str. 49: "Je možné vzít jakýkoliv typ kompozitu a pomocí optimalizační metody najít homogenní ekvivalent, který bude svým chováním v elektromagnetickém poli odpovídat původnímu kompozitnímu materiálu." V práci nebylo prokázáno. " Na str. 51: "Po určitém počtu generací dosáhne jeden nebo více jedinců v poslední populaci přijatelného nebo dokonce optimálního řešení." Toto obecně neplatí. " Na str. 69: "Přesnost obou přístupů je srovnatelná, záleží spíše na nastavení řídicích parametrů jednotlivých optimalizačních algoritmů." Vliv tohoto nastavení ale není v práci proveden! Ve třetí kapitole se opakuje problém z předchozích kapitol. V jediné podkapitole je jednak vysvětlena metoda, poté je představeno použití metody a nakonec jsou prezentovány experimentální výsledky. V poslední čtvrté kapitole jsou shrnuty výsledky disertace a je konstatováno, že navržená metoda je dostatečně přesná pro dané účely. Po přečtení celé práce se domnívám, že název práce není příliš vhodně zvolen, protože multikriteriální optimalizace v EMC byla náplní jen jedné podkapitoly práce. Aktuálnost zvoleného tématu Evoluční optimalizace v oblasti elektromagnetismu jsou v současné době velmi populární a je to jedna z nejpřínosnějších aplikací evolučních algoritmů. Aplikace evolučních algoritmů v úloze hledání ekvivalentní homogenní náhrady kompozitu je originální. Výsledky jsou užitečné pro konstrukci letadel. Téma hodnotím jako vysoce aktuální. Originální přínos Byla navržena originální metoda pro získání ekvivalentní homogenní náhrady za zadaný kompozit. V případové studii bylo prokázáno, že jsou evoluční optimalizační metody použitelné pro získání dostatečně kvalitního řešení této úlohy. Disertace bezesporu obsahuje nové výsledky. Publikovaní výsledků disertace V seznamu publikací, kde je Ing. Jílková většinou uvedena jako spoluautorka, najdeme 21 prací relevantních k tématu disertace. Z toho je většina publikací z mezinárodních konferencí, dva články byly uveřejněny v časopisu Radioengineering a zbytek tvoří různé národní a studentské konference, popř. technické zprávy. Lze konstatovat, že jádro disertace bylo vhodně publikováno. Jazyková úroveň zpracování Až na několik drobností je práce napsána solidní češtinou. V některých případech byla nepřesně použita terminologie, např. "jedinci s lepší fitness funkcí" vs "jedinci s lepší fitness hodnotou" na str. 51 a 52. Některé věty nedávají smysl, např. na str. 44: "Díky vysokému činiteli jakosti kompozitní struktury bylo potřeba počkat velmi dlouhou dobu, než odezní energie z výpočetní domény použitého výpočetního solveru." Popis grafů měl být uveden v češtině. Literatura Seznam použité literatury má 37 položek. Reference poměrně dobře pokrývají zvolenou oblast výzkumu. Seznam však nebyl zpracován pečlivě, jednotlivé reference jsou zapisovány velmi nekonzistentně. Otázky k obhajobě " Jak jsou definovány klíčové ukazatele s11 a s21? " Je již jednou vypočtená hodnota fitness tzv. elitních jedinců, kteří jsou přímo zkopírováni do nové populace, počítána znovu? (Obrázek 33 naznačuje, že ano). " Kolik bylo provedeno nezávislých běhů jednotlivých optimalizačních algoritmů a jak jsou výsledky různorodé? Závěr Disertační práce splňuje podmínky samostatné tvůrčí vědecké práce. Obsahuje původní a autorkou disertační práce publikované vědecké výsledky. Přestože je úroveň zpracování technické zprávy na hranici obhajitelnosti, jsou dosažené výsledky natolik přínosné, že je možné považovat ustanovení §47, odst. 4, zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách za splněné. Proto disertační práci doporučuji k obhajobě. V Brně dne 11. 11. 2010 Doc. Ing. Lukáš Sekanina, Ph.D. Fakulta informačních technologií Vysoké učení technické v Brně Božetěchova 2 612 66 Brno
Posudek dizertační práce Ing. Jany Jílkové pod názvem "Multikriteriální optimalizace v EMC", Ústav radioelektroniky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně. 1. Námět práce je velmi aktuální, jelikož se dotýká problému zvýšení odolnosti letecké techniky proti elektromagnetickým polím, které se vyskytují v prostředí a mohou rušit složitá elektronická zařízení, kterými jsou současná letadla vybavena. 2. Přínos práce spatřuji v porovnání několika přístupů k modelování tzv. homogenní náhrady konstrukčního kompozitního materiálu při analýze stínící účinnosti v oblasti EMC a ukázání na skupinu problémů, které při takovém postupu vznikají. 3. Publikační činnost autorky mi připadá odpovídající požadavkům na doktorskou dizertaci. 4. Lze říci, že autorka práce ukázala svůj zájem o vědecký pohled na řešenou problematiku, i když v předložené práci jsem postrádal obecnější analýzu otázek spojených s pochopením komplexnosti zadané úlohy. 5. Předložená práce má 77 stran a text je rozdělen do čtyř kapitol. Hned v úvodu je celkem zřetelně vyjádřen cíl práce a to nalezení elektromagnetických materiálových parametrů tzv. homogenních náhrad kompozitních materiálů, používaných pro konstrukci letadel. Cíl je zřejmý vzhledem k následné možnosti modelování chování konstrukčních celků případně celého draku letadla v elektromagnetických polích. Cíl práce je ještě dále specifikován na ochranu elektroniky a pasažérů proti zásahu bleskem. Zde se ale objevuje hned první otázka, proč autorka modeluje materiály až do 40 GHz, přičemž dokládá velké problémy s výpočetním časem. Jaké je frekvenční spektrum bleskového výboje? V práci toto zmíněno není. Práce je psána srozumitelně a celkem dobře se čte. Musím autorce ale vytknout právě tu čtivost. Zabývá se problematikou, která je docela dobře popsatelná a popisovaná matematicky. Slovní popisy v předložené práci jsou používány i v situacích, kdy je nutné sáhnout k matematice. V práci se neobjevují ani Maxwellovy rovnice, pomocí nichž lze vysvětlit i pojmy efektivní permitivity či permeability, což je základem metody homogenních náhrad. Také řešení Maxwellových rovnic na tenkých vrstvách nebo tlustých vrstvách a následnými interferenčními jevy s tím spojenými dává lépe nahlédnout do technických aplikací. Ač nejsem zastáncem používání "matematické dýmové clony" k zvýšení dojmu vědeckosti textů, jsem toho názoru, že v tomto případě by bylo použití matematiky funkční a chybělo mi. Dále uvedu několik poznámek, které mne napadly při četbě. str.19 Až dále jsem pochopil, že a považujete za neměnné v celém frekvenčním rozsahu, proč jste k této podmínce přistoupila, je-li uváděný frekvenční rozsah modelu tak velký? str.21 obr.7 Rozdíly řešení obou solverů jsou hodně zřetelné, mohla by jste to okomentovat? str.26 "Na obr.7 je vidět..." spíše na obr.9, to je ale asi jenom překlep. str.28 Docela často při popisu a snaze o vysvětlení zapomínáte na polarizaci elektromagnetické vlny. str. 36 Na této straně, ale i jinde, jsou často zmiňovány chyby měření dané vzduchovou mezerou mezi vzorkem materiálu a měřicí celou, ačkoli jsou tyto otázky v literatuře hodně frekventované a již i letité, v práci neuvádíte ani náznak kvantitavního odhadu tohoto zdroje neurčitostí. str.42 obr.28 Chybí popis materiálu, stínící účinnost až 110 dB, to je docela velký dynamický rozsah měření, jak odhadujete neurčitosti vašich měření? Z textu je zřejmé, že jste se soustředila především na numerické modelování chování kompozitních materiálů v elektromagnetickém poli a proto bych rád kdyby jste vysvětlila, co to je " ....odezní energie z výpočetní domény použitého výpočetního solveru.", což uvádíte na straně 44 a na straně 45 hovoříte také o nelineárním chování, ale z textu mi není úplně jasné co tím míníte. str.61 Mohla by jste vysvětlit počet platných číslic zde uvedených? str.66 obr.39 Chování závislostí od 15GHz do 40GHz jsou docela nezajímavé, proč jste ale neanalyzovala oblast 7-15 GHz? Není mi také jasné neexistence interferenčních jevů. Vlnová délka ve vakuu je pro např. 30GHz 1 cm, v epoxidové pryskyřici r = 4? to činí 5mm a odtud /4=1,25mm a to již odpovídá geometrii vámi uvažovaných vzorků, navíc i tloušťkám reálných konstrukčních materiálů. Ale co vám nejvíce vytýkám, a to opravdu hodně, je naprosté nesetkání vámi namodelovaných struktur s naměřenými daty, třeba jenom v omezené oblasti elektromagnetického spektra, ale přece. V části o evolučních algoritmech jste se hezky rozepsala o principech jednotlivých přístupů ke genetickému programování a odtud zjevně plyne vaše afinita spíše k této části řešení problémů kolem elektromagnetické charakterizace kompozitních materiálů. Uvedená literatura mi připadá poněkud chudá, publikací o elektromagnetických vlastnostech materiálů je docela dost a tak autorka mohla využít i výsledků měření jiných autorů, avšak na její obranu musím konstatovat, že právě věrohodných dat, která charakterizují konstrukční letecké materiály z hlediska interakce s elektromagnetickými poli, je velmi málo. Výrobci se pochopitelně zabývají především mechanickými parametry, takže znovu opakuji cíl práce je velmi aktuální. To je také důvodem proč doporučuji předloženou práci k obhajobě. Předložená disertační práce odpovídá obecně uznávaným požadavkům k udělení příslušného akademického titulu. Ve Zlíně 28.12.2010 doc.RNDr.Vojtěch Křesálek,CSc. Ústav elektroniky a měření Fakulta aplikovaná informatiky Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
eVSKP id 34134