Проектирование водоемов: Проектирование прудов

Содержание

Строительство и проектирование искусственных водоемов и прудов

Наша компания осуществляет строительство прудов и водоемов под ключ. Мы готовы взять на себя все хлопоты, касающиеся создания проекта, строительства сооружения. Наши мастера организовали водоемы различного назначения площадью от 150 квадратных метров в различных уголках страны, на территории СНГ, Северной Америки. Богатый опыт компании позволяет реализовать проекты любой сложности, обустраивать пруды, фонтаны полностью соответствующие предпочтениям заказчиков.

Проектирование, строительство водоемов: с чего начать

Как и любая масштабная работа, проектирование водоемов начинается с определения вида конструкции, задач, которые она будет выполнять. В нашем портфолио вы найдете:

  • декоративные водохранилища;
  • водоемы для купания;
  • пруды, украшающие поселки, жилые комплексы, парки;
  • водоемы, имеющие специфический функционал.

Планируя заказать проект пруда, вы можете рассчитывать на реализацию собственных идей или прислушаться к рекомендациям профессионалов. В процессе сотрудничества с нашими мастерами, вы легко реализуете все идеи, пожелания.

Строительство искусственного пруда

Проектирование прудов и водоемов декоративного назначения предполагает создание уютной зоны отдыха в рамках частной усадьбы или в общественном месте. Такое решение позволяет осуществить зарыбливание с помощью декоративных видов рыб, создать уникальный ландшафт. Качество воды в подобном пруду поддерживается благодаря наличию биофильтров, территории, отведенной под водную растительность. При этом вы получаете водоем:

  • представляющий собой живую сбалансированную экосистему;
  • в котором не требуется применять химикаты, особое оборудование;
  • легко сэкономить на системах фильтрации воды, гидроизоляции дна при наличии сведений о грунте, составе водоносителя;
  • недорогая, несложная эксплуатация пруда.

В процессе реализации проекта решаются задачи декоративного оформления, пополнения запасов воды, схемы очистки, вопросы укрепления дна, прочее.

Обустройство водоемов для купания

Такое вариант станет отличным решением для частных усадеб с большой территорией. В процессе сотрудничества будет обеспечено:

  • необходимое качество воды, поддерживаемое при помощи систем дезинфекции, создания растительных зон, установки биофильтров;
  • экономия на системах очищения, гидроизоляции при наличии сведений о составе поступающей в водоем воды, грунтах.

Наши мастера проведут полный комплекс работ «под ключ», включающий создание эскизов, разработку проекта, строительство искусственного пруда, ввод в эксплуатацию. Для предотвращения ошибок в процессе использования водоема заказчикам будет предоставлена инструкция по эксплуатации.

В процессе работы будет обеспечено декоративное оформление пруда, организовано своевременное пополнение водой, создание простой в использовании схемы водоочищения, обустроена гидроизоляция дна, проведены мероприятия по укреплению берегов.

Проектирование, строительство водоемов для жилых комплексов, поселков, зон отдыха, парков

Обустройство водоемов, предназначенных для общественного использования, отличается серьезным масштабом работ, предполагает наличие пруда площадью от 0,2 га. Заказывая работы в нашей компании, вы получаете следующие преимущества:

  1. По окончании работ пруд легко использовать для обеспечения отдыха, в том числе купания, рыбной ловли, занятий водными видами спорта, использования водного транспорта.
  2. Создание дополнительной декоративности участка за счет красоты формы пруда, зонирования, профессионального обустройства береговой линии.
  3. Пруд будет обустроен, как природная живая экосистема, имеющая собственные механизмы самоочищения, что снижает стоимость, трудоемкость ухода за водоемом.
  4. Использование сведений изысканий обеспечивает возможность подобрать оптимальный источник для пополнения воды, сэкономить на искусственных системах очищения, на гидроизоляции водоема.
  5. Возможность использования пруда для приема ливневых стоков, талых вод.

Водоемы для специфического применения

Помимо декоративных прудов, наша компания принимает заказы на водоемы специального назначения, в том числе:

  • пожарные водоемы;
  • пруды для оснежения;
  • водоемы для аккумуляции стока.

В рамках сотрудничества мы предоставляем:

  1. Консультации, подготовку ТЭО, экономическое обоснование инвестиций.
  2. Предпроектную разработку, дизайн проекта.
  3. Экономическое обоснование, разработку проекта.
  4. Документальное сопровождение, авторский, технический надзор.
  5. Ввод в эксплуатацию, последующее обслуживание.

Наша компания предлагает разработку проектов композиций различной сложности. Также мы можем подобрать для вас готовые модели, которые по желанию, можно оснастить дополнительным оборудованием, подсветкой. Диапазон стоимости конструкций в подобной ситуации такой же широкий, как и разнообразие моделей. Цены на услуги зависят от множества составляющих, начиная от вида, размера сооружения, заканчивая количеством дополнительного оборудования, качеством используемых материалов.

Где заказать строительство искусственного пруда

Наши мастера предлагают строительство искусственных декоративных водоемов различной сложности. У нас вы сможете заказать возведение типового сооружения или уникальный авторский проект.

Проектирование объектов | ГЕОмонтаж

Проектный отдел ГеоМонтаж занимается работами по проектированию искусственных водоемов любой сложности качественно и в сжатые сроки.

Мы ориентируемся на:

  • проектирование искусственных водоемов;
  • проектирование бассейнов;
  • проектирование пожарных водоемов;
  • проектирование лагун для отходов;
  • проектирование бетонных прудов

Наши преимущества:

  • только опытные инженеры-проектировщики;
  • нам доверяют проектирование искусственных водоемов любого типа, разрешенных нашим СРО;
  • максимальная прозрачность ценовой политики, подтверждение всех стоимостей в сметной документации;
  • проектируем искусственные водоемы с соблюдением самых кратчайших, но технически необходимых сроков;
  • гарантируем полное техническое сопровождение как на этапе проектирования искусственных водоемов, так и на стадии производства работ;
  • квалифицированная консультация по необходимости в проектной или рабочей документации, которая подходит именно Вам.

Технология проектирования в зависимости от вида и назначения объекта, может отличаться, но стадийность и порядок выполнения работ, в большинстве случаев, сохраняются. Процесс проектирования состоит из следующих этапов:

• сбор исходно-разрешительной документации;
• выполнение инженерных изысканий на площадке строительства;
• разработка проектной документации для получения согласований и заключения экспертизы;
• экспертиза проектной документации;
• разработка рабочей документации.

Нормативная документация для подготовки проекта:

Свод правил СП 47.13330.2012
Постановления правительства №87 от 16.02
Постановление Правительства РФ от 26.12.2014 N 1521
Гост 21.1101-2013
Постановление Правительства Российской Федерации №145 от 05.03.2007 г.
СП 11-110-99 «Авторский надзор за строительством зданий и сооружений».

С примером реализованного нашей командой объекта (от проекта до сдачи) Вы можете ознакомиться на фото

Проектирование искусственных водоемов отличается специфическими особенностями, поэтому при самостоятельном осуществлении подобных работ необходимо обратиться к экспертам в данной области.
Назначение искусственных водоемов очень широко: сюда относятся бассейны и пруды, технологические и сельскохозяйственные водохранилища, рыбные фермы, пожарные водоемы и другие виды водных объектов.

Эти искусственные водохранилища могут иметь различные предназначения:

  • пруды и бассейны для водоснабжения, орошения;
  • пруды и бассейны для разведения рыбы или птицы;
  • пруды и бассейны для санитарных и спортивных потребностей;
  • пруды и бассейны для эстетического оформления земельного участка.

Как учесть все нюансы при проектировании такого глобального сооружения, как искусственный водоем?

На эти и многие вопросы ответят специалисты ГеоМонтаж, которые имеют большой опыт в:

  • проектировании пожарных водоемов;
  • проектировании прудов;
  • проектировании лагун для отходов;
  • проектировании бетонных прудов;

Данные работы мы осуществляем силами своего коллектива, не прибегая к сторонним специалистам. При этом мы даем гарантию оперативного и достойного результата.
В качестве примера, предлагаем ознакомиться с проектом водонакопителя, возведенного в Ярославской области для сельскохозяйственных нужд.

 

При проектировании пожарных водоемов необходимо позаботиться о многих аспектах в конечном итоге отвечающих за сохранность жизни людей. Обустройство пожарного водоема является эффективной мерой безопасности на предприятиях, электростанциях, поселках и сельскохозяйственных товариществах при отсутствии водопровода.

Организация пожарного водоема относится к первейшим мерам профилактики несчастных случаев и гибели людей от пожаров на предприятиях и в быту. Обычно на одной территории строятся сразу два пожарных водоема для обеспечения лучшего доступа к воде при возникновении пожарной опасности. К ним обеспечивается беспрепятственный проезд пожарных бригад. Часто пожарные водоемы становятся местами отдыха жителей, поэтому целесообразно создание пожарного водоема в виде декоративного водохранилища.

Специалисты ГеоМонтаж спроектируют необходимый Вам искусственный водоем с учетом расположения объекта на местности, в строгом соответствии с их конструкционными особенностями.

 

При проектировании лагун для отходов необходимо позаботиться об обеспечении экологической безопасности. При этом лагуны для отходов считаются наиболее прогрессивным способом хранения отходов животноводства, в отличие от навозохранилищ. Нарушение проектирования и технологии строительства влечет за собой неэффективное хранение и переработку отходов, порчу земляного покрова, неэкологичность процесса.

Чем необходимо обеспечить лагуны для отходов и учесть это при проектировании:

защита от проникновения отходов в почву;
защита от плесени и грибка внутри лагун;
максимально снизить проникновение неприятного запаха в атмосферу;
Специалисты компании «ГеоМонтаж» спроектируют необходимое Вам строение с учетом расположения объекта на местности, в строгом соответствии с их конструкционными особенностями.

 

Цена проектирования искусственных водоемов зависит от требований к водоему, его назначения, сложности технического задания и объема работ.
Мы готовы просчитать Ваше техническое задание абсолютно бесплатно. Звоните нам прямо сейчас и не сомневайтесь в качестве проекта, который будет выполнен нашими специалистами точно в оговоренные сроки. «ГЕОмонтаж» телефон: 8-800-500-56-09.

Ознакомиться с реализованными объектами ГеоМонтаж можно на нашем youtube канале.

ДРУГИЕ ВИДЕО

Проектирование и строительство водоемов. Проектирование и строительство прудов-© ООО «ЭКОГИДРОПРОЕКТ»


Рекомендации по строительству водоема и морфологии дна


Предлагаемые рекомендации важно учитывать при проектировании и строительстве водоемов для избежания нежела­тельных сценариев «цветения» и деградации экосистемы водоема, таких как:


►сплошной покров из ряски;


►обильное цветение сине-зеленых водорослей, свидетельствующее о сильном дефиците растворенного кислорода и заканчивающееся за­мором рыбы;


►быстрое зарастание водоема погруженной высшей водной расти­тельностью;


►зарастание воздушно-водной растительностью и подъем дна с после­дующим заболачиванием;


►зимние заморы рыбы.


Глубина и морфология дна водоема


В условиях характерного для нашей страны континентального климата глубина стоячего водоема не должна быть меньше 2,5 м, в противном слу­чае неизбежны частые вспышки цветения и летние заморы рыбы. Санитар­ные нормы водоема будут нарушены в течение теплого времени года.


Чем больше площадь водоема, тем он должен быть глубже. Это связа­но с ветровым перемешиванием – чем сильнее ветровое перемешивание, тем глубже должен быть водоем. Если водоем вытянутой формы, то при проектировании очень важно учитывать расположение берегов по сторонам света, то есть по розе ветров. Если господствующие ветры дуют вдоль во­доема, то он должен быть глубже, чем при поперечных господствующих ветрах (это связано с интенсивностью ветрового перемешивания).


Если назначение водоема рыбоводное – его глубина должна быть больше, чем при других назначениях. В любом случае в нем должны быть предусмотрены зимовальные ямы глубиной 4,5-5,0 м.


Если водоем проточный, со временем полной смены воды около одно­го месяца и больше, то глубина его не играет решающей роли, но она не должна быть менее 2,0 м, иначе начнется быстрое зарастание высшей вод­яной растительностью.


Чем выше трофность и сапробность водоема, тем более глубоким он должен быть. (При анализе трофности учитываются: стоки из очистных сооружений, фермерских хозяйств, пашни, пастбищ, площадок выгула со­бак. При анализе сапробности учитываются: количество деревьев и кустар­ника, растущих в непосредственной близости от уреза воды, наличие фе­кальных недоочищенных стоков, стоков со свиноферм и т. д.).


Если водоем имеет постоянную родниковую подпитку, охлаждающую придонные слои в течение лета, то его глубина может быть уменьшена, но не менее 1,5 м, иначе начнется зарастание высшей водной растительностью (зимовальные ямы для рыбы все равно должны быть не мельче 4,5 м).


При проектировании и строительстве водоемов надо учитывать, что глубоководная часть должна составлять не менее 30% и не более 70% площади акватории водоема с открытыми берегами без леса и деревьев. Для закрытых водоемов с лесистыми берегами площадь глубоководных участ­ков должна быть в пределах 60-80%.


Глубина прибрежных мелководий должна быть в пределах 0,3-0,8 м, что обеспечивает места обитания организмов из наиболее важных звеньев трофической сети экосистемы водоема, участвующих в очищении воды, делает водоем безопасным для людей и легким в обслуживании; желатель­но, чтобы большую часть дня эти мелководья прогревались солнцем.


Не менее 10% протяженности береговой линии должно быть доступно для земноводных и сухопутных организмов (в этих местах берег должен плавно уходить под воду, как на пляже, без ступеней), причем большую часть дня эти участки должны освещаться солнцем.


Чем более изрезана береговая линия, тем лучше экологическое состоя­ние водоема. При проектировании водоемов лучше сразу заложить изре­занную береговую линию с мелководьем в заливах и крутыми берегами на мысах (размеры полуостровов и заливов желательны не меньше 5 м).


Конструкции берегов и обустройство водоема


Конструкция берегоукрепительных сооружений должна обеспечивать водо­проницаемость и водообмен между массой воды в пруду и грунтовыми водами.


Во избежание попадания поверхностного ливневого стока в водоем и взмучивания воды перед стенкой берегоукрепления должен быть преду­смотрен обратный фильтр. В отдельных случаях целесообразно ливневой сток перехватывать нагорной канавой или дренажом со сбросом в коллек­тор дождевой канализации.


Количество деревьев, расположенных в непосредственной близости от водоема, должно быть ограничено, поскольку большой объем листового опада в пруд может вызвать его цветение. Рекомендуется сажать деревья не ближе 20 м от уреза воды. Если на берегу необходимо сделать укромные места, то лучше использовать кустарник, низкорослые хвойные породы или перголы и стенки с вьющимися растениями.

Проектирование искусственных водоемов

Проектный отдел ГК GeoSM занимается работами по проектированию искусственных водоемов любой сложности в Москве и регионах, качественно и в сжатые сроки.

Мы ориентируемся на:

  • проектирование искусственных водоемов;
  • проектирование пожарных водоемов;
  • проектирование прудов;
  • проектирование промышленных водоемов;

Оставить заявку

Наши преимущества:

  • только опытные инженеры-проектировщики;
  • нам доверяют проектирование искусственных водоемов любого типа, разрешенных нашим СРО;
  • максимальная прозрачность ценовой политики, подтверждение всех стоимостей в сметной документации;
  • проектируем искусственные водоемы с соблюдением самых кратчайших, но технически необходимых сроков;
  • гарантируем полное техническое сопровождение как на этапе проектирования искусственных водоемов, так и на стадии производства работ;
  • квалифицированная консультация по необходимости в проектной или рабочей документации, которая подходит именно Вам.

Проектирование прудов

Проектирование искусственных водоемов отличается специфическими особенностями, поэтому при самостоятельном осуществлении подобных работ необходимо обратиться к экспертам в данной области.
Назначение искусственных водоемов очень широко: сюда относятся бассейны и пруды, технологические и сельскохозяйственные водохранилища, рыбные фермы, пожарные водоемы и другие виды водных объектов.

Эти искусственные водохранилища могут иметь различные предназначения:

  • пруды и бассейны для водоснабжения, орошения;
  • пруды и бассейны для разведения рыбы или птицы;
  • пруды и бассейны для санитарных и спортивных потребностей;
  • пруды и бассейны для эстетического оформления земельного участка.

Как учесть все нюансы при проектировании такого глобального сооружения, как искусственный водоем?

На эти и многие вопросы ответят специалисты ГК GeoSM, которые имеют большой опыт в:

  • проектировании пожарных водоемов;
  • проектировании прудов;
  • проектировании лагун для отходов;
  • проектировании бетонных прудов;

Данные работы мы осуществляем силами своего коллектива, не прибегая к сторонним специалистам. При этом мы даем гарантию оперативного и достойного результата.

Оставить заявку

Проектирование пожарных водоемов

При проектировании пожарных водоемов необходимо позаботиться о многих аспектах в конечном итоге отвечающих за сохранность жизни людей. Обустройство пожарного водоема является эффективной мерой безопасности на предприятиях, электростанциях, поселках и сельскохозяйственных товариществах при отсутствии водопровода.

Организация пожарного водоема относится к первейшим мерам профилактики несчастных случаев и гибели людей от пожаров на предприятиях и в быту. Обычно на одной территории строятся сразу два пожарных водоема для обеспечения лучшего доступа к воде при возникновении пожарной опасности. К ним обеспечивается беспрепятственный проезд пожарных бригад. Часто пожарные водоемы становятся местами отдыха жителей, поэтому целесообразно создание пожарного водоема в виде декоративного водохранилища.

Специалисты ГК GeoSM спроектируют необходимый Вам искусственный водоем с учетом расположения объекта на местности, в строгом соответствии с их конструкционными особенностями.

Оставить заявку

Цена проектирования искусственных водоемов

Цена проектирования искусственных водоемов зависит от требований к водоему, его назначения, сложности технического задания и объема работ.
Мы готовы просчитать Ваше техническое задание абсолютно бесплатно. Звоните нам прямо сейчас и не сомневайтесь в качестве проекта, который будет выполнен нашими специалистами точно в оговоренные сроки.

Проектирование водоемов и прудов

В наше время, когда среди россиян появляется всё больше и больше поклонников такого рода учений, как, скажем фен-шуй, и когда распространяются разного рода учения о великой пользе воды, о её воздействии успокаивающего характера на психическое состояние человека, становится необычайно высоким спрос на строительство и облагораживание прудов, а также фонтанов и ручьёв на приусадебных участках. Знающие люди скажут, что проектирование водоемов – это довольно-таки сложное и хлопотное занятие, которое требует специальных знаний, а также навыков особого характера, обладать которыми могут только настоящие профессионалы.

Участие в таком деле, как проектирование пруда грамотного специалиста является залогом успешности мероприятия и создания в некотором смысле шедевра ландшафтной архитектуры – искусственного водоёма. Поэтому прежде чем вы окончательно определитесь с выбором подрядчика, который специализируется на проектировании водоёмов, необходимо навести соответствующие справки: как долго компания существует, ознакомиться с отзывами уже состоявшихся клиентов. Также немалую роль в выборе компании, которой вы собираетесь доверить проектирование пруда, будет играть и такой фактор, как использование подрядчиком собственных уникальных проектов. Это особенно важно, если вы хотите в итоге получать нечто индивидуальное – свой собственный водоём, который будет украшать ваш участок и превратит его в единую композицию с вашим домом.

Как это вполне понятно, каждый заказчик, заказывая проектирование декоративных фонтанов и водоемов, желает увидеть в итоге нечто эксклюзивное. При всём при этом пруд, а также ручей, водопад или фонтан должен максимально гармонично вписаться в ландшафтное решение всего участка, водоём должен на все сто процентов соответствовать и имеющимся стандартам в области проектирования прудов.

Те, кому уже посчастливилось обзавестись собственным искусственным прудом, с полной уверенностью скажут, что более роскошной составляющей ландшафта территории загородного дома и представить нельзя. Заказывая проектирование водоемов, хозяева коттеджей обеспечивают себе не только приятную прохладу в летний зной, но и привлекательность и оригинальность территории своего поместья.

Если вы можете чётко сформулировать свои мысли по поводу будущего водоёма, то для подрядчика не составит никакого труда выполнить качественное проектирование пруда, либо фонтана и так далее. Если же каких-либо особенных задумок у заказчика нет, то ему может быть предложено выполнить проектирование водоемов по уже имеющимся и проверенным подрядчиком конструкциям. Так же есть возможность взять отдельные части нескольких проектов и соединить их воедино – это тоже будет индивидуальное проектирование водоемов, пусть при этом использовались и некоторые идеи уже имеющихся проектных решений.

Заказывая проектирование прудов в профессиональной компании, вы гарантировано сможете увидеть воплощение своей мечты на своём участке, а, значит, будете наслаждаться созерцанием, а возможно и купанием в собственном мини-озере, не покидая территории своего загородного дома.

2.2 Проектирование водоема

Проектирование
водоемов часто является составной
частью работ по озеленению, благоустройству
и ландшафтному дизайну. При этом
проектирование
водоема может выполняться как на новых,
обустраиваемых участках, так и на
участках с давно существующим ландшафтом.
Техническое проектирование водоема
является, с одной стороны, сложной
инженерной задачей, а с другой стороны,
при этом обязательно должно учитываться
то влияние, которое может оказать водоем
на экосистему участка. Если это влияние
будет отрицательным (например,
заболачивание территории участка), от
возведения водоема придется отказаться
либо искать другие формы его устройства.

Первый
этап проектирования водного объекта –
создание эскиза будущего водоема. При
этом учитываются условия рельефа
местности, пожелания заказчика, а также
общее стилистическое направление
ландшафтного дизайна участка. К примеру,
для участка, оформленного в классическом
стиле, целесообразным будет устройство
водоема правильной формы, а на участке,
ландшафт которого приближен к
естественному, гармонично будет
смотреться водоем, имитирующий
естественный пруд.

При
проектировании водоема обязательно
предусматриваются не только меры по
созданию самого водоема, но и мероприятия
по благоустройству и озеленению их
береговой линии.

Работы
по гидротехническому проектированию
традиционно считаются одним из самых
сложных видов проектирования при
создании ландшафтного дизайна и
благоустройстве территорий. Сложность
здесь заключается в том, что каждый
водоем, как правило, является замкнутой
динамической системой. Возможно и
создание незамкнутых систем, например,
изменение русла протекающего рядом
ручья или создание плотины. Однако
проектирование незамкнутых систем
также имеет свои особенности и должно
выполняться только специалистами, в
противном случае может быть нанесен
ущерб не только растительности участка,
но и его почвенному покрову. На месте
предполагаемого расположения водоема
проводятся геологические изыскания,
которые дают представление о характере
грунта в данной зоне участка.

Все
работы, по обустройству природного
водоема ведутся в плане перепланировки
(в случае необходимости) береговой линии
водоема или ручья, укрепления береговой
линии с использованием природного
камня, расчистка дна и его отсыпка
крупным песком или галечником.

Окультуренный
природный водоем придает участку
индивидуальный стиль и особо подчеркивает
другие элементы ландшафтного дизайна.

Создание
искусственного водоема начинается с
выбора места его расположения. Этому
нужно уделять особое внимание, так, как
от этого зависит не только внешний вид
участка, но и дальнейшая судьба водоема.

Для
водоема нужно выбрать открытое, хорошо
освещённое место, желательно вдали от
деревьев. Вода в водоеме должна хорошо
прогреваться, нельзя допускать попадания
в нее листвы и вообще растительных
остатков.

В
противном случае, в водоеме начнутся
процессы органического разложения
попавшей листвы, вода станет затхлой,
дно заилится, а растения, посаженные в
водоеме — погибнут.

Водоем,
как и любой другой элемент ландшафтной
архитектуры, должен подчиняться общему
стилистическому решению.

В
саду регулярной планировки водоем
делают правильной геометрической формы
(квадрат, прямоугольник, круг, овал).

Берега
водоема оформляют ровной каменной или
керамической плиткой, используют и
кирпич.

Водоем
может быть несколько поднят над общим
уровнем, а центр быть украшен небольшим
фонтаном или садовой скульптурой или
же красивым растением.Такой водоем
подойдет для участка, оформленного в
стиле итальянского дворика.

На
небольших садовых участках можно
декорировать стену дома или ограду
следующим образом: участок стены или
ограды декорируется природным камнем,
а на высоте 1 — 1,2 м оформляют водяной
источник. Вода из источника стекает в
небольшой, расположенный непосредственно
у стены пруд и накапливается там.

Ландшафтный
стиль архитектуры, наоборот, предполагает
водоем свободной формы, максимально
приближенной к природе, с неровной
береговой линией, оформленной природными
камнями, гравием или галькой.

Прибрежные
растения, посаженные вплотную к воде и
отражающиеся в ней, ещё больше усиливают
это впечатление.

Форма
пруда может быть самой разнообразной,
хотя следует избегать чрезмерно вычурных
форм противоречащих природной
естественности.

На
участках больших размеров можно создавать
водные каскады из нескольких небольших
водоемов. Воду насосом перекачивают из
нижнего водоема в верхний.

Сооружение
каскада требует определённых знаний и
соответствующего оборудования.
Искусственный водоток создать проще,
если участок имеет уклон. В небольших
садах ложе узкого ручейка не следует
делать прямым — лучше, если ручей сделает
один-два изгиба, прежде чем выйдет за
пределы участка.

По
ходу водотока устраивают небольшие
перепады, имитирующие природные пороги
или небольшие водопады. Не обязательно,
чтобы ручей бурлил, это приведет к
большому расходу воды. Для небольшого
участка вполне достаточно, если вода
медленно струится, перекатываясь через
камушки. Переходы через ручей можно
сделать в виде традиционных мостиков,
а можно положить в воду несколько больших
плоских камней и переходить по ним.

Рассмотрим
устройство пленочных водоемов. Они
строятся легче, чем на пример из бетона.
Пленка не имеет формы, но легко принимает
ее. Пленка разных видов используется
при строительстве источников (самых
маленьких водных сооружений), ручьев,
каскадов, прудов разного размера, болот,
бассейнов. Их устройство заключается
в следующем: На участке производят
разметку, для нее используют веревку,
колышки, рулетку. Для разметки водоёмов
можно использовать гибкий шланг, это
очень удобно. После разметки обкапывают
землю по внутреннему краю шланга
(веревки). После этого разметку убирают,
начинают выкапывать до нужной глубины,
с учетом того, что необходима «подушка»
под водоем. Затем, на дно засыпается
просеянный песок, толщиной не менее
10-12! см. Хорошо трамбуется. На песок
устилают геотекстиль, а поверх
накладывается лист специальной пленки.
В центр водоема подается из шланга вода,
под весом которой пленка оседает. Через
сутки после заполнения котлована лишнюю
пленку обрезают по краям, оставляя
минимум по полметра, на случай подмыва
грунта. Края пленки прикрепляют по
периметру к земле деревянными колышками
или дужками из проволоки. Если предусмотрено
проектом, у водоема делается отмостка
(шириной минимум 50–60 см) из кирпича,
плитки, камня. По дну пленочного водоема
можно осторожно ходить, но нельзя бегать
и прыгать. Гарантийный срок службы
качественной и правильно уложенной
пленки – 20 лет, а бутилкаучуковой –
целых 50! При строительстве водоемов с
движущейся водой используют специальные
насосы. Они отличаются потребляемой
мощностью (объёмом перекачиваемой
воды). Строительство из других материалов
похоже на устройство пленочного водоема.
Главное сделать хорошую подушку. Она
же является основой и для установки
готовых пластиковых форм, используемых
при устройстве водоемов.

Сколько стоит Проектирование водоемов на участке Москва и область

Вы можете обратить за помощью в проектировании водоема в компанию «ПрофПокрытие». Наши специалисты помогут определиться со стилем водоема, составят техзадание, откажут помощь в подготовке проектной документации. Составят смету на строительство водоема.

Техническое задание на строительство водоема

Необходимо определить со следующими аспектами:

  • Водоем какого типа вас интересует – неподвижная гладь воды либо течение?
  • Будет ли размещаться водопад?
  • Место, для посадки водных растений.
  • Является ли водоем частью композиции сада либо самостоятельным элементом?
  • Требуется ли купальня?
  • Будет ли водоем средой обитания для рыб и других представителей водного мира?

Описать материалы строительства:

  • фактуру,
  • цвет,
  • состав.

При составлении техзадания следует учитывать уже используемые на участке материалы, а также расположенные около будущего водоема растения.

Состав проекта на строительство

На основе технического задания можно составлять проект на строительство водоема. Он состоит из следующих частей:

  • Пояснительная записка. Генплан
  • Технический отчет по изыскания
  • Чертежи
  • Раздел визуализации
  • Проект организации строительства
  • Приложения
  • Сметы

После составления проекта можно приступать к работам по строительству водоема.

 

Так мы работаем

Получить консультацию

 

Смета 2. МО, Ярославское ш, 7 км от Москвы. Строительство пруда с фонтаном, горкой и зарыблением

Исходные параметры

Длина водной глади – 6.60 м

Ширина водной глади – 2.40 м

Глубина водоема – 1.00 м

Зеркало воды – 15.84 м2

S материала – 27.00 м2

Объем – 7. 69 м2

S дна – 1.84 м2

Смета работ и материалов
Наименование Ед. изм. Кол-во Цена Сумма
Материалы
1 Материал для гидроизоляции “Аква-Проф” кв.м 600 59 136
2 Ткань для армирования кв.м 60 11 828
Итого за материалы для гидроизоляции 70 964
Работа
1 Выемка грунта куб.м 900 7 200
2 Планировка чаши водоема,подготовка грунта кв.м 280 7 666
3 Нанесение гидроизоляционного слоя кв.м 1350 36 963
Итого за материалы для гидроизоляции 51 829
Итого к оплате по Гидроизоляции водоема 122 793
Декорация водоема
Материалы
1 Камень для декорации (плитняк) кв. м. 900.00 8 100
2 Материал для укладки плитняка (раствор) кв.м. 450.00 4 050
3 Материал для изготовления горки куб.м 25000.00 25 000
Итого за материалы для декорации 37 150
Работа
1 Декорация водоема (плитняк) кв.м. 900.00 8 100
2 Изготовление горки куб.м 25000.00 25 000
Итого за материалы для декорации 33 100
Итого к оплате по Декорации водоема 70 250
Фильтрация водоема
Материалы
1 Расходные материалы,шланги (6) набор 6000.00 6 000
2 Комплект системы фильтрации FiltoClear Set 20000 арт 50877 шт 55900 55 900
3 Aquarius Fountain Set Eco 5500 (комплект для фонтана) арт 41923 шт 8500 8 500
4 Aquamax Eco Classic 14500 (насос для каскада) арт 51104 шт 15800 15 800
Итого за материалы для фильтрации 86 200
Работа
1 Установка оборудования (8) комп 8000. 00 8 000
Итого за материалы для фильтрации 8 000
Итого к оплате по Фильтрации водоема 94 200
Дополнительные расходы
1 Расходные материалы 12 000
2 Транспортные расходы 19 000
Итого дополнительных расходов 31 000
СУММА К ОПЛАТЕ 441593

Описание:

В данном проекте использовались только самые лучшие немецкие комплектующие, которые хоть и дороже, зато отличаются высокой надежностью и сроком гарантии: а)система фильтрации, б) фонтан, в) освещение.

Также использовалась лучшая гидроизоляция – жидкой резиной «Аквапроф». Отличается повышенной надежностью и сроком службы.

Экономия была достигнута за счет правильно подобранного комплекта, сочетающегося между собой, оборудования, один насос и на фонтан и на каскад и на фильтрацию.

Для зарыбления необходимо было поставить систему фильтрации повышенной мощности с аэрацией, она дороже примерно на 25 т.р.

Дизайн водохранилища — обзор

2.3 Соображения по проектированию прибрежных водохранилищ второго поколения

Критерии выбора площадки CR и длина ее дамбы . Для внутреннего водохранилища, такого как плотина «Три ущелья» в Китае, наиболее важными факторами являются местоположение плотины и ее высота, поскольку оба фактора определяют емкость водохранилища, общую стоимость и т. Д .; другие менее важны, например, водосброс, судовые шлюзы и гидроэлектростанции. Для проекта CR наиболее важными соображениями являются следующие:

(1)

Забор CR должен быть расположен в идеальном месте, позволяющем отводить стабильную и высококачественную воду с минимальной соленостью в расчетные засушливые годы

(2)

При выборе площадки ЧР следует учитывать ее общую стоимость строительства, а объем закрытого водного объекта должен соответствовать:

(2. 1) V0 / A = максимум; и общая стоимость = минимум

, где V 0 = объем воды в водохранилище при нормальном уровне воды и A = площадь поверхности водохранилища. Для морского CR над плоским морским дном круговая насыпь требует минимальной длины дамбы. Для CR длина дамбы определяется минимальной стоимостью, удовлетворяющей площади A в уравнении. (2.1).

Защита морской воды и оценка солености . Для CR, показанного на рис.2.5, соль является серьезной угрозой; его возможные источники расхода воды ( Q ) и солености ( C ): (1) речной сток ( Q 1 ), соленость которого ( C 1 ) мала, но не ноль, в зависимости от характеристик водосбора; (2) просачивание морской воды ( Q 2 , C 2 ) из дна водохранилища и насыпи, как судовые шлюзы; (3) выход за пределы дамбы ( Q 3 , C 3 ), вызванный волнами в экстремальных условиях; (4) осадки ( Q 4 , C 4 = 0 ) и Q 4 = IA , где I = годовая интенсивность осадков.

Рисунок 2.5. Взаимодействие морской и пресной воды в прибрежном водохранилище, где красная толстая линия (темно-серая в печатной версии) — непроницаемая стена, а зеленая пунктирная линия (светло-серая в печатной версии) со стрелкой в дамбе — это дренажная система.

Исходящий сток и соленость — это сток из водохранилища в море ( Q 5 , C ) и водозабор ( Q 6 , C ) и потери от испарения. ( Q 7 , C 7 = 0 ) и Q 7 = EA , где E = годовая скорость испарения.

Объем воды V резервуара должен соответствовать уравнению водного баланса:

(2.2) dVdt = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 − Q5 − Q6 − Q7

Соль в резервуаре также должна соответствовать его массе. уравнение сохранения:

(2.3) dVCdt = Q1C1 + Q2C2 + Q3C3− (Q5 + Q6) C

Если предположить, что долгосрочный средний объем воды постоянен и Q 2 и Q 3 пренебрежимо малы по сравнению с Q 1 , уравнение. (2.2) дает:

(2.4) Q6 = Q1 + Q4 − Q5 − Q7

Ур. (2.4) указывает на то, что потери от испарения могут быть важным фактором в засушливые годы ( Q 5 ≈ 0; Q 4 ≈ 0). Чтобы уменьшить или пренебречь Q 7 , необходимо удовлетворить уравнение. (2.1), где предполагается, что КР следует строить в более глубоком водоеме, а мелководный район следует исключить для хранения пресной воды.

Ур.(2.3) можно упростить следующим образом:

(2.5) VdCdt = Q1C1− (Q5 + Q6) C

Путем интегрирования уравнения. (2.5) относительно времени t соленость пластовой воды может быть получена в следующем виде:

(2.6) C = (C0 − C∞) exp (−Q5 + Q6Vt) + C∞

, где

(2.7) C∞ = Q1Q5 + Q6C1

, где C 0 = начальная соленость в резервуаре, или можно принять соленость морской воды, а C = равновесная соленость в резервуаре. Из уравнения. По формуле (2. 6) можно оценить необходимое время опреснения КЛ.

В экстремально засушливый год с Q 4 = 0, заменив уравнение. (2.4) в уравнение. (2.7), имеем

(2.8) C∞ = Q1Q1 − EAC1

Ур. (2.8) ясно показывает, что если Q 1 = EA, соленость КЛ может быть очень высокой, и это наблюдалось в 2009 г. в озере Александрина, Австралия, как упоминалось ранее. Вот почему уравнение. (2.1) должно быть выполнено, а площадь поверхности A должна быть минимизирована, чтобы уменьшить потери от испарения.

На рис. 2.5 показано проникновение морской воды Q 2 и Q 3 за счет фильтрации и переполнения потока.В строительстве плотин доступны и эффективны традиционные методы устранения просачивания Q 2 , например непроницаемый слой внутри дамбы и морского дна. Морская вода имеет более высокую плотность, чем пресная, или пресная вода всегда будет находиться над морской водой; таким образом, в этой главе предлагается, чтобы гидравлические затворы CR должны быть расположены в самой нижней траншеи для слива соленой воды на дно. Вдоль дамбы следует установить придорожную дренажную систему; во время отлива, когда уровень воды в водохранилище выше внешней поверхности моря, эти гидравлические затворы и дренажная система могут смывать соленую воду ( Q 5 ) из водохранилища, как показано на рис.2.5.

Вышеупомянутое обсуждение очерчивает основные меры по предотвращению проникновения морской воды, которые можно хорошо контролировать, если конструкция является подходящей; только несколько CR терпят неудачу из-за высокой солености в Австралии и Нидерландах. Злейший враг CR — это загрязнение воды в реке, вызванное как точечными, так и неточечными источниками; почти все существующие КО в Таблице 2.2 имеют проблему качества воды / цветения водорослей. Важно обсудить, как спроектировать CR для качественного водоснабжения.

Предотвращение загрязнения на суше и предварительная обработка водно-болотных угодий . Хорошая конструкция CR должна обеспечивать возможность выбора высококачественной воды для хранения и отвода нежелательной / загрязненной воды в море. Это достижимо, как показано на рис. 2.4, при использовании забора выше по потоку. Водозабор открыт для заполнения ЧР при появлении качественной воды, но закрывается, если качество речной воды не соответствует нормативным значениям. Качество воды контролируется по течению реки с помощью измерительных датчиков; опытные менеджеры CR могут легко решить, когда следует открывать или закрывать водозаборники.

Следует отметить, что качество воды в реке является случайным параметром; его вероятность следует некоторому распределению, например логнормальному распределению. Другими словами, вода лучшего качества и вода худшего качества имеют небольшую долю (скажем, 5%), а качество большей части речной воды находится между этими двумя крайними значениями (или 90%). Вода лучшего качества может быть отведена в один из CR, показанных на рис. 2.4, но вода худшего качества также может храниться в другом резервуаре для обработки перед сбросом, чтобы защитить морскую среду.При необходимости CR, показанные на рис. 2.4, можно также использовать для смягчения последствий наводнений, т.е. до того, как наводнения возникнут, водохранилища необходимо опорожнить до низкого уровня приливов, а активную емкость можно использовать для пикового паводка.

В очень больших реках, таких как Янцзы или Гранде, речной воды самого высокого качества может быть недостаточно; в таком случае может быть полезна предварительная обработка водно-болотных угодий. Как правило, водно-болотные угодья могут удалять 50–90% питательных веществ из речной воды (Ян, 2015b; Ян и Лин, 2011), особенно рекомендуется эколого-сельскохозяйственное водно-болотное угодье, поскольку фермеры могут регулярно собирать урожай, а крупные пахотные угодья земля по-прежнему продуктивна.

Очень важно иметь обходной канал во всех резервуарах для сброса нежелательной / загрязненной воды. Если это так, то неудавшиеся CR, такие как южнокорейское озеро Сихва или другие, могут значительно улучшить качество воды в нем. Это наиболее важная мера качества воды КР. Для качественного водоснабжения предлагается придерживаться двух основных принципов при проектировании КР:

(1)

Дамба для ограждения более глубокого водоема в качестве водохранилища должна исключать мелководный объект.

(2)

Обводной канал должен быть включен в резервуар.

Схема гидротехнических сооружений . Гидротехнические сооружения любой внутренней плотины включают водосброс, электростанцию, судовые шлюзы и т.д .; аналогично для CR такие конструкции включают его вход (а), выход (ы), насосную станцию ​​(и), судовые шлюзы и так далее. Его оптимальная компоновка должна соответствовать следующим критериям:

(1)

Минимальное время задержания или математически V 0 / Q 1 → минимум

(2)

Минимальный стоячий водоем

(3)

Емкость резервуара соответствует потребности в воде, не слишком большая или слишком маленькая

В принципе, форма CR, места входа / выхода и насосных станций имеют совместное воздействие на гидродинамику системы; хороший дизайн может уменьшить количество случаев цветения водорослей в водоеме; Внутри водоема можно использовать перегородки для уменьшения застоя воды в нем.

Решения для проектирования резервуаров | Гидравлика и пневматика

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281b9f6d5f267ee43a4c6» data-embed-element = «aside» data-embed-alt = «Insidepenton Com Электронный дизайн Adobe Pdf Logo Tiny» data-embed-src = «https://img.hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2011/12/insidepenton_com_electronic_design_adobe_pdf_logo_tiny.png?auto=format&fit14=max&w=» данные «]}% Загрузите эту статью в формате.Формат PDF
Этот тип файла включает графику и схемы с высоким разрешением, если это применимо.

Основная функция гидравлических резервуаров — временное хранение гидравлической жидкости. При правильной конструкции они могут также функционировать как устройства для кондиционирования жидкости. То есть они не только обеспечивают жидкость для удовлетворения различных требований при выдвижении и втягивании приводов, но также могут подготовить жидкость для следующего рабочего цикла.

Соображения по конструкции

Ожидается, что мобильные гидравлические резервуары будут работать так же хорошо, как и промышленные резервуары, даже несмотря на то, что мобильные резервуары обычно работают в более экстремальных и часто неблагоприятных условиях.Два примера особых проблем, с которыми сталкиваются конструкторы, — это движение машин и экстремальные температуры окружающей среды. Однако наиболее серьезной проблемой, которую необходимо преодолеть, является ограничение в размере.

Размер — самая разительная разница при сравнении промышленного и мобильного дизайна. Промышленные стандарты, разработанные NFPA (National Fluid Power Association) и принятые ANSI (Американский национальный институт стандартов), определяют, что емкость резервуара должна в 3–12 раз превышать максимальную производительность насоса.Однако ограничения по размеру и весу могут потребовать, чтобы оборудование работало с резервуарами, равными объему, который насос сливает за одну минуту. Из-за особых ограничений мобильных гидравлических резервуаров они обычно требуют индивидуальной конструкции.

Гидравлические резервуары, изготовленные по индивидуальному заказу, имеют преимущество перед стандартными резервуарами, поскольку они могут быть спроектированы таким образом, чтобы соответствовать точному пространству и техническим требованиям, необходимым для оптимальной работы. Стоимость, размер и вес можно минимизировать, сохранив при этом производительность и эффективность.Трехмерное моделирование можно использовать для разработки наиболее эффективного дизайна приложения и повышения технологичности. Слишком сложная конструкция усложняет производство, что увеличивает стоимость. Вот некоторые факторы, которые следует учитывать:

Расчет депрессии : Количество жидкости, которое должен восполнить резервуар, равно общей депрессии — площади штоков цилиндра, умноженной на их соответствующие ходы. Сумма всех этих объемов равна объему жидкости, которую должен обеспечить резервуар.

Расчет депрессии

имеет решающее значение: при максимальной депрессии в пласте должно оставаться достаточно жидкости, чтобы обеспечить приемлемое время пребывания жидкости, проходящей через резервуар. Время пребывания дает загрязняющим веществам возможность осесть и пузырьки воздуха объединиться. Хорошее практическое правило — фиксировать общую производительность на уровне одной трети максимальной производительности насоса при депрессии.

Термическое расширение: При определении размеров резервуара необходимо учитывать увеличение объема жидкости в результате нагрева.Необходимо учитывать расширение жидкости в период между заполнением резервуара холодной жидкостью и достижением максимальной рабочей температуры. При обслуживании резервуаров следует соблюдать осторожность, чтобы избежать переполнения. Уровни масла в резервуаре следует проверять при втянутых цилиндрах. Для расчета теплового расширения используйте коэффициент объемного расширения 4,5 x 10 -4 . Коэффициент, умноженный на объем в кубических дюймах жидкости, подвергающейся изменению температуры, и само изменение в градусах даст изменение объема из-за нагрева или охлаждения.

Вентилируемый или находящийся под давлением: Какой резервуар выбрать: вентилируемый или находящийся под давлением? Ключевыми решающими факторами являются расположение и входные требования насосов. Во многих мобильных приложениях уровень жидкости в резервуаре ниже впускного отверстия насоса. В ответ на потери на входе насоса в насосе может возникать кавитация, т. Е. Образование небольших свободных от жидкости зон, таких как пузырьки или пустоты. Коллапсирующие пустоты, которые взрываются рядом с металлической поверхностью, вызывают циклическое напряжение из-за повторяющегося взрыва. Это приводит к поверхностной усталости металла, вызывая кавитацию.Поскольку входной вакуум может потребовать снижения мощности насоса, в резервуаре может быть повышено давление для поддержания максимальной производительности насоса.

На большинстве мобильных строительных машин для создания давления в резервуаре используются три метода:

• Используйте регулируемый сжатый воздух из пневматической системы машины. Это, наверное, самый эффективный способ.

• Сдерживать воздух в объеме зазора резервуара (над жидкостью) и зависеть от теплового расширения жидкости для сжатия воздуха и создания давления в резервуаре.

• Отвод сжатого воздуха из продувочного насоса двухтактного дизельного двигателя.

Герметичная крышка резервуара обеспечивает удержание давления внутри резервуара и снижает избыточное давление, когда цилиндры втягиваются, поэтому он возвращает в резервуар больше масла, чем требуется насосам. Колпачок также должен иметь характеристики низкого превышения давления.

Когда резервуар находится под давлением, необходимо рассчитать напряжения его стенок. Однако напряжения стенок также следует рассчитывать для резервуара с вентиляцией.Высокие напряжения быстро развиваются на больших площадях плоской пластины, а прогибы могут стать большими из-за веса жидкости. Если к резервуарам добавляется периферийное оборудование, такое как лестницы или воздушные баллоны, следует учитывать толщину плиты и необходимость в ребрах жесткости.

Тщательное размещение перегородок может обеспечить необходимую поддержку без дорогостоящего дополнительного веса. Монтажные кронштейны и монтажные фланцы крышки доступа также могут обеспечить жесткость при осторожном размещении.

Впускные и возвратные линии

Маленькие пузырьки воздуха, захваченные жидкостью при прохождении через насос, сжимаются и взламываются, отбрасывая струю жидкости наружу при давлениях, превышающих 50 000 фунтов на квадратный дюйм, а также при чрезвычайно высоких местных температурах.Эти струи жидкости могут отколоть кусочки металла от окружающих поверхностей. Сетки из расширенного или перфорированного металла, называемые ситами для деаэрации, размещенные в резервуаре под углом, эффективны для удаления пузырьков воздуха из жидкости (Рис. 1) . Когда жидкость, содержащая пузырьки воздуха, направляется через наклонный экран, пузырьки поднимаются по наклонной поверхности, образованной экраном, в то время как жидкость проходит через него. Необходимо соблюдать осторожность при выборе угла и размера открытой площадки, чтобы обеспечить прохождение холодной жидкости.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d464» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика и пневматика Ком-сайты Гидравлика и пневматика com. Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F1 «data-embed-src =» https://img.hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics.com_files_Files_uploads_20 = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}% 1.Внутренние стенки разделяют резервуары на различные секции или квадранты.

Должен происходить плавный переход от низкой скорости жидкости в резервуаре к впускным линиям насоса. Скорости во впускных линиях насоса не должны превышать 5 футов / сек. большими строками. Для любой заданной скорости потока в двух линиях разного размера падение давления больше в меньшей линии из-за увеличения площади сдвига жидкости. Обрезка конца впускных линий насоса внутри резервуара под углом и направлением горловины вниз обеспечивает большую площадь горловины и помогает предотвратить вихри жидкости (небольшие водовороты) и кавитацию.Расположите впускную трубку на значительной глубине масла, чтобы избежать завихрений, или добавьте лопатки в горловину трубки, выходящую наружу.

Перегородки направляют, рассеивают, содержат жидкость и увеличивают жесткость резервуара (Рис. 2) . Для охлаждения возвратной жидкости ее следует направлять к внешним стенкам резервуара. Жидкость также должна течь через магниты, которые задерживают частицы железа. Обратный поток никогда не должен быть направлен на линию забора жидкости.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d466» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика и пневматика Ком-сайты Гидравлика и пневматика com Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F2 «data-embed-src =» https: // img. Hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics.com_files_uploads_2015_03_0915_MobileRes_F2.png?auto= caption&will=data_fit=2png? скорость обратного потока.Обратите внимание на угол, вырезанный на обратной линии, чтобы направить возвращаемую жидкость к внешней стене для охлаждения.

Некоторое перемешивание жидкости без перемешивания полезно. Распространение жидкости по резервуару предотвращает появление мертвых зон, в которых может скапливаться жидкость.Скорость потока через любую перегородку не должна превышать 1 фут / сек. Жидкость не должна каскадом переходить с одного уровня на другой внутри резервуара. Это может быть вызвано различиями в уровнях жидкости между двумя областями, разделенными либо плохо спроектированной перегородкой, либо многоуровневым дном резервуара.

При выборе размеров перегородок или любого компонента в возвратной части бака необходимо обеспечить максимальный обратный поток. Предположим, что цилиндр с наибольшим соотношением площадей (площадь торца крышки цилиндра минус площадь торца штока) втягивается при полном потоке: обратный поток будет превышать производительность насоса.Обратные диффузоры и фильтры также должны быть рассчитаны на такой поток.

Скорость обратного потока на мобильном оборудовании обычно превышает 10 футов / сек. Лучше всего подобрать размер возвратных коллекторов и трубопроводов, прилегающих к резервуару, чтобы снизить скорость возврата до 5 футов в секунду или меньше. Диффузоры возвратной линии помогают снизить скорость потока и обеспечивают перемешивание жидкости без перемешивания. Диффузоры обычно снижают скорость потока до 1 фут / сек. или менее.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d468» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика и пневматика Ком-сайты Гидравлика, пневматика com Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F3 «data-embed-src =» https: // img. Hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics.com_files_uploads_2015_03_0915_MobileRes_F3. крупных частиц в резервуаре.Магниты легко прикрепляются для удаления частиц железа.

Многие типы доступны в продаже. Однако установка концов возвратных линий перфорированным металлом с открытой площадью 40% работает хорошо (рис.3) . По возможности концы возвратных линий должны быть обрезаны под углом 45 градусов. и быть направленным к внешней стене.

Контроль загрязнения

Обратные фильтры часто помещаются внутри резервуара для экономии места и обеспечения целостной диффузии. Одним из преимуществ обратной фильтрации в баке является то, что заполнение бака через фильтр помогает обеспечить чистоту жидкости. Однако не забудьте установить фильтры возврата, чтобы загрязнения не попадали в резервуар при замене элемента.

Размещение фильтров внутри резервуара обеспечивает аккуратный внешний вид, но может привести к загрязнению в области, которую трудно удалить. Внешние возвратные фильтры, хотя их сложнее установить по отвесу, удерживают загрязнения вне резервуара и более легкодоступны для обслуживания.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d46a» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика, пневматика, гидравлическая система, пневматика. com Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F4 «data-embed-src =» https: // img.Hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics.com_files_uploads_2015_03_0915_MobileRes_F4.png?auto=deformat_data_fit_fit_f4.png? Экран удаляет увлеченный воздух из гидравлической жидкости.

Заглушки для твердых частиц (Рис. 4) , расположенные между областями возврата и всасывания бака, помогают удерживать более тяжелые частицы, которые могли пройти в обход возвратных фильтров. Плотины обычно состоят из угловой пластины, проходящей через дно резервуара.Плотина должна быть достаточно высокой, чтобы удерживать частицы до тех пор, пока резервуар не будет регулярно очищаться, и достаточно низкой, чтобы предотвратить каскадирование. Плотины также обеспечивают идеальные монтажные поверхности для магнитов.

Насосы в мобильном оборудовании обычно расположены на уровне жидкости или выше и вдали от резервуара. Эти условия иногда создают высокий входной вакуум (более 5 дюймов в высоту), что усложняет контроль загрязнения входного отверстия насоса. При наличии положительных условий на входе насоса (как в случае нагнетательного насоса) следует учитывать сетчатые фильтры на всасывании или входные фильтры.При выборе размеров всасывающих фильтров следует также учитывать холодный запуск и условия окружающей среды, если насосы нельзя отключить во время запуска.

Материалы конструкции

Гидравлические резервуары в мобильном оборудовании могут быть подвержены коррозии при всасывании влажного воздуха при понижении уровня масла. Когда влажный воздух попадает в резервуар, вода может конденсироваться на внутренних стенках при понижении температуры окружающей среды. Адсорбционные сапуны могут быть установлены для фильтрации и осушения окружающего воздуха, всасываемого в резервуар. Однако влагопоглотитель имеет ограниченный срок службы, поэтому, если сапун не заменяется через рекомендуемые интервалы, влага будет беспрепятственно всасываться. Конденсат, в конечном итоге, попадет в гидравлическую систему и создаст несколько проблем.

Конденсат также будет прилипать к внутренним поверхностям резервуара, что может привести к образованию отложений ржавчины, которые также могут попасть в гидравлическую систему. Эти отложения могут сами по себе вызывать проблемы, включая преждевременный износ компонентов, засорение фильтров и отверстий, а также неисправности клапанов.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d46c» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика и пневматика Ком-сайты Гидравлика и пневматика com Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F5 «data-embed-src =» https://img.hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics. com_files_files_uploads_files_files_uploads_files_files_uploads_files_files_uploads_files_files_uploads_files_files_uploads_png = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}% 5.Резервуары емкостью от 18 до 12 галлонов, изготовленные из алюминизированной стали, покрыты горячим способом с обеих сторон алюминиево-кремниевым сплавом, чтобы избежать проблем загрязнения, присущих стали без покрытия.

Мобильные гидравлические резервуары обычно изготавливаются из стали, нержавеющей стали или алюминия. Другой вариант — алюминизированная сталь. Алюминированная сталь представляет собой листовую углеродистую сталь, на которую нанесено горячее покрытие с обеих сторон алюминиево-кремниевым сплавом, чтобы избежать проблем загрязнения, присущих стали без покрытия (рис.5) . По сути, алюминизированная сталь сочетает коррозионную стойкость алюминия с высокой механической прочностью и более низкой стоимостью стали. Резервуары из алюминизированной стали совместимы практически со всеми жидкостями на нефтяной и синтетической основе, а также обеспечивают защиту от атмосферной коррозии. Однако у алюминизированной стали есть ограничения по толщине.

Изготовление и отделка

Качество сварного шва имеет решающее значение для любого гидравлического резервуара. От любого производителя следует ожидать, что сочетание сварки MIG, TIG, роботизированной сварки и сварки сопротивлением обеспечит резервуары высочайшего качества.Производственное оборудование также должно включать револьверную головку с ЧПУ, лазеры FMS и LNC, пуансоны, формовочное оборудование с ЧПУ и сварочное оборудование с ЧПУ.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df281bff6d5f267ee43d46e» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Гидравлика, пневматика, гидравлическая система, пневматика com Загрузка файлов 2015 03 0915 Mobile Res F6 «data-embed-src =» https://img.hydraulicspneumatics.com/files/base/ebm/hydraulicspneumatics/image/2015/09/hydraulicspneumatics_com_sites_hydraulicspneumatics.com_files_uploads_2015_03_0915_MobileRes_F6. png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}% 6. Показано, что горловины резервуаров и заливных горловин, изготовленные в IFH Group, подвергаются порошковому напылению.

Для отделки (рис. 6) следует серьезно рассмотреть возможность нанесения порошкового покрытия. Основное различие между обычной жидкой краской и порошковым покрытием состоит в том, что порошковое покрытие не требует растворителя для поддержания связующего и наполнителя в форме жидкой суспензии. Покрытие обычно наносят электростатическим способом, а затем отверждают под действием тепла, чтобы дать ему растечься и образовать «пленку».«Это создает твердую поверхность, более жесткую, чем обычная краска. Ужесточение экологических норм, рост цен во всех областях и требования к более качественной и долговечной продукции делают его разумным выбором для создания более красивого и долговечного покрытия.

Заключительные замечания

Также необходимо учитывать обслуживание резервуара. Необходимо предусмотреть дренаж как возвратной, так и всасывающей областей резервуара, особенно если для их разделения используется дамба.Часто используются трубные муфты, но порты с уплотнительными кольцами SAE обеспечивают лучшую герметичность. Должны быть предусмотрены клапаны для перекрытия впускных линий при замене насосов или других компонентов, находящихся ниже уровня жидкости.

Кроме того, должен быть обеспечен доступ для очистки внутренней части резервуара. Люки должны быть достаточно большими для обслуживающего персонала и уборочного инвентаря. Также должны быть средства для освещения каждой части резервуара для проверки. К резервуару должны быть прикреплены люки, чтобы утечки можно было обнаружить и устранить снаружи.

При установке резервуара учитывать динамический характер мобильного оборудования; подпрыгивание по пересеченной местности или движение на скоростях шоссе может вызвать сильные ударные или усталостные нагрузки на стенки резервуара. При установке бака за уголки можно распределить напряжения через боковые пластины, разместив уголки в углах.

Все резервуары должны поставляться чистыми и испытанными под давлением. Производитель должен иметь возможность предоставить порошковое покрытие и покрытия, устойчивые к химическим агентам, и узлы.Фактически, производители, которые могут устанавливать аксессуары — крышки заливных горловин, сапуны фильтров, смотровые щупы, отправляющие устройства, шланги, фитинги и монтажное оборудование, — упрощают процедуру, предоставляя оборудование, которое можно легко установить в машину.

Кейт Эллефсен — президент IFH Group, Рок-Фолс, Иллинойс. Для получения дополнительной информации позвоните по телефону (800) 435-7003 или посетите веб-сайт компании.

Рекомендации по проектированию гидравлического резервуара

Дэвид Марлоу • Владелец / генеральный директор • Техническое обучение DMAR и бизнес-центры DMAR США

Ранее я писал о важности знания вязкости гидравлической жидкости и предлагал советы по сохранению загрязнения масла.Пришло время обсудить сердце гидравлической системы и системы смазочного масла — резервуар системы. Типичный резервуар изготовлен из сварной стальной пластины и предназначен для хранения и охлаждения жидкости, питающей систему.

Верхняя конструкция обеспечивает более легкий доступ к резервуару для обслуживания.
Фото любезно предоставлено Flodraulic Group

В настоящее время широко используются три стандартные конструкции резервуаров:

  1. Joint Industry Conference (JIC) — горизонтальный резервуар с расширениями, которые удерживают резервуар не менее 6 дюймов.от пола. Такая конструкция увеличивает площадь теплопередачи снизу, а также сверху и по бокам. Основным недостатком этой конфигурации является то, что насос должен создавать достаточный вакуум для подъема и ускорения жидкости на входе насоса.
  2. L-образный — вертикальный резервуар, установленный на одной стороне широкого основания, на котором смонтированы насос и двигатель. Такая конструкция обеспечивает большую площадь поверхности для охлаждения. Кроме того, если уровень жидкости в резервуаре выше, чем на входе в насос, обеспечивается положительный напор на всасывании. Основание также поднято на 6 дюймов над полом. Эта конструкция намного превосходит установку насоса сверху и может продлить срок службы любого типа насоса.
  3. Верхний штабель — горизонтальный резервуар, установленный на стойке над насосом и двигателем. Вертикальное расположение резервуара экономит место на полу и обеспечивает более легкий доступ к резервуару для обслуживания. На мой взгляд, это лучшая компоновка насос / резервуар.

Соображения по конструкции

L-образных резервуаров имеют большую площадь поверхности для охлаждения.Фото любезно предоставлено Flodraulic Group

Учет тепла — основная причина, по которой дно резервуара должно быть оторвано от пола. Вот почему так важно не останавливать свободный поток воздуха вокруг резервуара. Примечание: не рекомендуется закрывать силовой агрегат.

Всегда желателен большой резервуар для охлаждения и отделения загрязнений. Общее правило для определения размера резервуара — галлоны насоса в минуту или литров в минуту x 3 или x 5. Если резервуар недостаточного размера, уровень жидкости создаст эффект водоворота на входе насоса.

Гидромассажная ванна будет влиять на требуемый чистый положительный напор всасывания (NPSHR) насоса и имеющийся чистый положительный напор всасывания (NPSHA) в резервуаре. Когда NPSHA и NPSHR равны, возникнет кавитация.

Чтобы предотвратить кавитацию, вы должны иметь базовое представление о NPSHA и NPSHR:

  1. NPSHA — показатель того, насколько близка жидкость в данной точке к кипению, а затем к кавитации.
  2. NPSHR — значение напора в определенной точке, необходимое для предотвращения кавитации жидкости.

Кавитация — это образование паровых полостей (пузырьков или пустот) в жидкости. Это происходит, когда жидкость подвергается изменению давления, которое вызывает образование этих пузырьков там, где давление относительно низкое. Когда пузырьки подвергаются более высокому давлению, они взрываются и генерируют интенсивную ударную волну, вызывая сильную вибрацию и механические повреждения.

Очень важно определить, какой размер бака потребуется для вашего гидравлического или смазочного масла, поскольку эффективность хорошо спроектированной системы может быть значительно снижена из-за неправильного размера бака.

Тепло генерируется в системе всякий раз, когда происходит падение давления и никакие механические работы не выполняются.

Используйте эту формулу, чтобы проверить способность теплоотвода бака и убедиться, что ее достаточно для охлаждения масла.

Рассеивание напора, HD = 0,001 x (T1 — T2) x A, где
T1 = макс. допустимая температура жидкости (в ° F)
T2 = макс. температура окружающего воздуха (в ° F)
A = площадь резервуара, контактирующая с жидкостью (в фут2)

В таблице показана мощность излучения тепла в лошадиных силах для резервуаров гидравлического масла из технической стали, имеющих 6-дюйм.пространство внизу и свободная циркуляция воздуха сверху и со всех сторон.

Резервуар не просто предоставляет место для заливки жидкости. Хорошо спроектированный резервуар рассеивает тепло, дает возможность загрязнениям выпасть из жидкости и позволяет пузырькам воздуха выходить на поверхность и рассеиваться, обеспечивая при этом положительное давление напора на всасывании насоса.

Если стандартная конструкция резервуара не может быть использована или изменена и необходимо построить резервуар специальной конструкции, необходимо учитывать следующее:

  1. Когда резервуар установлен, должно быть достаточно отверстий для очистки, чтобы обеспечить легкий доступ для очистки и обслуживания.
  2. Если верх резервуара будет использоваться для монтажа оборудования, обратите внимание на конструкцию стен и верха, чтобы они могли поддерживать смонтированное оборудование.
  3. Убедитесь, что резервуар снабжен заливным отверстием, сливным патрубком, расположенным в самой нижней точке, и указателем уровня.

Определите размер резервуара с учетом 20% избыточной емкости, чтобы обеспечить резерв на случай непредвиденных требований к емкости системы.


Из рубрики: Статьи журнала Fluid Power World
С тегами: Flodraulic


Руководство по гидравлическому проектированию: Факторы анализа коллектора

Якорь: # i1000466

Раздел 3: Факторы анализа коллектора

Основные гидравлические факторы, участвующие в
анализ водохранилища включает гидрологические методы, защиту от наводнения
потенциальные и водохранилища.Многое из необходимого
данные анализа могут быть извлечены или найдены в проекте коллектора
информация, которая должна быть доступна через контролирующий орган
или собственник. Если информация о конструкции недоступна, проезжая часть
проектировщику гидравлики, возможно, придется разработать необходимые данные путем анализа
резервуар самостоятельно.

Якорь: # i1000471

Hydrology Methods

Существует несколько различных методов прогнозирования стока.
тарифы.Некоторые из наиболее продуктивных методов описаны в главе
4; однако могут использоваться более сложные гидрологические методы. Для
Принятие во внимание TxDOT, максимальная скорость стока для водосборной площади.
обслуживаемый водохранилищем, должен быть связан с событием наводнения, имеющим
2% AEP (минимальный интервал повторения 50 лет ).
Разработчик гидравлической системы может определить величину 2% AEP.
событие с помощью процедур, предусмотренных в главе 4, а именно:

Кривая NRCS
Модель потери номера.

Техасский шторм
Порядок разработки гиетографа.

Гидрограф
Маршрутизация.

Комплексный гидравлический анализ работы коллектора
требуется действующий или надежный гидрограф наводнения.Пиковая разрядка
одного не достаточно.

Якорь: # i1000509

Потенциал накопления паводков

Часто комплексная конструкция резервуара предусматривает наличие отложений.
хранилище в дополнение к хранилищу паводковой воды. Подача осадка
хранение помогает гарантировать, что предлагаемое хранилище паводковой воды доступно
на минимальное количество лет. Практически все основные водохранилища и NRCS
Конструкции, задерживающие паводковые воды, имеют средства для хранения наносов.
При анализе предложенного хранилища только хранилище предусмотрено для
Следует учитывать паводковые воды.

Адекватность предлагаемого хранилища должна быть проверена
прокладка гидрографа по предполагаемому водохранилищу.Рассмотреть возможность
следующие:

Факторы отношения гидрографа, накопления и стока
следует рассматривать одновременно с использованием процесса маршрутизации. Несколько
Методы маршрутизации наводнения полезны для анализа отдела. Глава
4 обсуждения
Резервуар
по сравнению с маршрутизацией каналов.

Якорь: # i1000548

Сооружения для разгрузки резервуара

Для большинства резервуаров пропускная способность различных
выпускные сооружения влияют на направление наводнения. Администрация
разгрузочные работы являются функцией рабочего порядка для
резервуар. Следовательно, это может быть полезно вместо маршрутизации
наводнения, чтобы обезопасить проектные заметки и графики работы от
агентство, ответственное за эксплуатацию резервуара.Операционные релизы
может существовать длительное время и даже угрожать шоссе
с продолжительным наводнением. По этой причине примечания к дизайну и
графики работы следует тщательно оценивать.

Проект плотины и водохранилища

Перед строительством водохранилища и плотины необходимо разработать инженерный проект.В проекте будет учитываться информация, предоставленная гидрологами, геологами и геодезистами, о том, как вода и окружающая земля будут вести себя и измениться после строительства водохранилища и плотины. Следует отметить, что берма и дамба — это две совершенно разные конструкции.

Плотины бывают четырех типов: насыпные, арочные, гравитационные и контрфорсы.

Что такое берма?

Берма — это искусственный наносный барьер, установленный на краю откоса или стены, построенной рядом с канавой для защиты от возможного затопления.

Бермы размещаются в районах, подверженных наводнениям, для защиты от эрозии, стока и паводков. Бермы обычно изготавливаются из компоста, мульчи или гравия, поскольку их плотность позволяет им замедлять и удерживать паводковые воды.

Щелкните здесь для получения дополнительной информации о бермах

Набережная

Тип плотины Характеристики
набережная
  • Изготавливается в основном из почвы или камня, встречающегося на местном уровне.
  • Эрозия является серьезной проблемой для этих плотин; требуется постоянное обслуживание (например, борьба с растительностью).
  • Поперечное сечение будет иметь вид банка или холма.
  • Большинство из них имеют центральную секцию из непроницаемого материала, препятствующего прохождению воды.
  • Насыпные плотины могут быть земляными или каменными.
  • Землеройные плотины являются наименее дорогостоящим типом плотин для строительства, они сделаны из глины и уплотненной земли, относительно малы и легко разрушаются.
  • Каменные дамбы построены из материалов, добытых на площадке водохранилища, и хорошо работают в холодных или дождливых условиях.

Арочная плотина

Тип плотины Характеристики
Арка
  • Изготовлен из бетона на стальной опоре.
  • Используется для хранения на реке, когда вода будет течь через верх плотины.
  • Устойчив к эрозии.
  • Последствия переполнения (когда вода течет через верх плотины) могут быть потенциально катастрофическими в зависимости от конструкции.
  • Арочные плотины поддерживаются устоями, анкерами и прочным геологическим фундаментом.
  • Арочные плотины используются в узких долинах с твердым каменным фундаментом. Обычно арочные дамбы очень высокие.

Гравитационная плотина

Тип плотины Характеристики
Плотность
  • Изготовлен из бетона на стальной опоре.
  • Используется для хранения на реке, когда вода будет течь через верх плотины.
  • Устойчив к эрозии.
  • Последствия переполнения (когда вода течет через верх плотины) могут быть потенциально катастрофическими в зависимости от конструкции.
  • Гравитационные плотины поддерживаются устоями, анкерами и прочным геологическим фундаментом.
  • Гравитационные плотины очень большие. Большинство гравитационных плотин, построенных с 1980 года, строились по особому методу.Эти плотины называются бетонными плотинами с роликовым уплотнением (RCC), потому что плотина строится тонкими слоями, а ролик уплотняет бетон после добавления каждого слоя.
  • Поперечное сечение гравитационной плотины будет иметь треугольную форму.

Контрольная плотина

Тип плотины Характеристики
Упор
  • Изготовлен из бетона.
  • Должен быть построен на прочной породе.
  • Контрфорсы поддерживаются стенами треугольной формы («контрфорсы»).
«Поддерживающие конструкции» от spodzone под лицензией CC BY 2. 0. Никаких изменений в фотографию не вносилось.

Типы плотин [1,2]

[1] HydroCoop.(2013). Проектирование и строительство плотин, водохранилищ и балансирующих озер. Получено с: http://www.hydrocoop.org/dam-design-construction-reservoirs-balancing-lakes/

[2] Британское общество плотин. Плотины и водохранилища . Получено с http://www.britishdams.org/student_zone/documents/BDS_Fact%20Sheets_version_low%20Res_Web.pdf

(PDF) Сервисное проектирование резервуаров в моделях оптимизации водораспределительных сетей: проблемы качества воды

10

по всей системе.Результаты указывают на необходимость включения требований к качеству воды

в модели оптимизации проектирования для водораспределительных сетей и, в частности,

хозяйственных резервуаров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Барричелли, Н. А., 1962. Численное тестирование теорий эволюции: Часть I Теоретические

Введение и основные тесты. Acta Biotheoretica, выпуск 16, стр. 69-98.

Кларк Р. и Хаот Р., 2005. Характеристика спроса на стенки трубы: последствия для моделирования качества воды

.Журнал планирования и управления водными ресурсами,

31 (3), стр. 208-217.

Фигейредо, Д. М., 2014. Моделирование распада хлора в питьевой воде

Системы. Лиссабон, Португалия, Высший технический институт.

Nieuwenhuijsen, M., 2005. Неблагоприятные последствия воздействия на репродуктивное здоровье побочных продуктов дезинфекции хлорированием

. Gloabl NEST Journal, 7 (1), стр. 128-144.

Ричардсон, С., Симмонс, Дж. И Райс, Г., 2002. Побочные продукты дезинфекции: следующее поколение

.Environemntal Science and Technology, 36 (9), стр. 198A — 205A.

Савич Д. А. и Уолтерс Г. А., 1997. Генетические алгоритмы для экономичного проектирования водопроводных сетей

распределительных сетей. Журнал планирования и управления водными ресурсами,

123 (2), стр. 67-77.

Сейюм А.Г. и Танимбо Т.Т., 2014. Качество воды в сети, зависящее от давления.

Моделирование. J. Управление водными ресурсами, DOI: 10.1680 / wama.12.00118, 167 (6), стр. 342-

355.

Сью, К.И Танимбо, Т. Т., 2011. Проектирование сети «Anytown» с использованием многоцелевого подхода эволюционной оптимизации без штрафных санкций

. Палм-Спрингс,

Калифорния, Материалы 13-й ежегодной конференции по анализу систем распределения воды

, стр. 190–198.

Сью, К., Танимбо, Т. Т., Алемцехай, С. Г., 2016. Многоцелевая система без штрафных санкций

Эволюционный подход к оптимизации водораспределительной сети Anytown. Вода

Управление ресурсами, 30 (11), стр.3671-3688.

Вамвакериду-Лирудиа, Л. К., Уолтерс, Г. А. и Савич, Д. А., 2005. Нечеткое множество —

объективная оптимизация водораспределительных сетей. Журнал водных ресурсов

Frontiers | Проектирование и анализ нейромемристической вычислительной архитектуры резервуара для обработки биосигналов

Материал получил разрешение РАЗРЕШЕНО 10 ноября 2015 г. , номер дела: 88ABW-2015-5512.

1. Введение

Нейроморфные вычисления рассматривались как высокоэффективная платформа обработки данных несколькими учеными, такими как Фон Гельмгольц (1867 г.), Фаггин и Мид (1990 г.).С тех пор было продемонстрировано несколько подходов к моделированию вычислений в биологических нейронных системах с нейронами как с импульсными, так и без них. Распространенные модели вычислений, такие как детерминированные машины Тьюринга или нейронные сети аттракторов, в частности, не выполняют вычисления с непрерывными потоками входных данных. Новаторская работа Хопфилда по рекуррентным нейронным сетям (RNN; Hopfield, 1982) до обучения Вербоса градиентам RNN для вычислений с обратным распространением во времени (Werbos, 1990) направлена ​​на решение сложных задач временного машинного обучения.Однако проблема при использовании RNN — это очень нестабильная связь между параметрами и динамикой скрытых состояний, называемая «градиентами затухания или взрыва». Таким образом, применение RNN для обработки сигналов в реальном мире ограничено. Недавно были предложены оптимизаторы без Гессе (Martens, 2010) и RNN с закрытыми связями (Sutskever et al., 2011) для применения их в сложных задачах последовательности. Важно исследовать модели, которые фиксируют сложные динамические реакции в пространственно-временных масштабах с разнородными компонентами и легко применяются к реальным проблемам, которые являются ориентирами для интеллектуальной системы.Одним из значительных достижений в этом направлении является предложение оставить RNN необученными, а затем обработать их с помощью простой техники классификации / регрессии. Эта идея была разработана в тандеме двумя независимыми исследовательскими группами: Jaeger (Jaeger, 2001; Jaeger and Haas, 2004) как Echo State Network и Maass как Liquid State Machine (Maass et al., 2002; Buonomano and Maass, 2009). . В совокупности эти модели называются вычислением резервуара (RC). Коллектор также можно рассматривать как сложный нелинейный динамический фильтр, где входные данные проецируются на временную карту большого размера. RC сильно вдохновлен возбуждающими и тормозными сетями коры головного мозга, которые по своей природе нестабильны. Нейрофизиологи продемонстрировали, что возбуждающие сети порождают дополнительное возбуждение (простое и предсказуемое), а тормозные сети порождают нелинейные эффекты (сложные). Сети, которые построены как из тормозных, так и из возбуждающих элементов, могут самоорганизовываться и генерировать сложные свойства (Buzsaki, 2006). Такие непрерывные возмущения возможны в коре головного мозга из-за разнообразия компонентов (нейронов и синапсов) и специфики их связей.

Несколько исследовательских групп изучают теорию, моделирование и программную реализацию резервуаров в реальных приложениях (например, распознавание объектов, распознавание речи, управление движением роботов, классификацию динамических образов и генерацию хаотических временных рядов). Гетерогенные программные реализации резервуаров демонстрируют, что производительность этих сетей либо равна, либо превосходит современные методы машинного обучения в пределах заданного набора ограничений. Хотя объем исследований в области алгоритмического исследования постоянно растет, ни одна из существующих работ не исследует комплексную архитектуру оборудования для энергоэффективного резервуара.Реконфигурируемая аппаратная архитектура может значительно улучшить рассеиваемую мощность, эффективность площади и портативность резервуаров. В современной литературе есть аппаратные реализации резервуаров, которые в основном являются цифровыми (Schrauwen et al., 2007; Merkel et al., 2014). Несколько исследовательских групп также исследовали стохастические потоки битов и схемы смешанных сигналов для коллектора (Schürmann et al., 2004; Verstraeten et al., 2005). Однако эти проекты имитируют уровень ESN или LSM, а не общий дизайн.Более того, в крупномасштабной ESN количество синапсов и нейронов значительно возрастает, и требуются такие устройства, как мемристоры, для реализации этих основных компонентов энергоэффективным способом. В этом исследовании мы предлагаем масштабируемые и реконфигурируемые нейромемристические архитектуры для резервуаров с особым акцентом на приложениях обработки биосигналов.

Нейромемристические системы (NMS) — это вдохновленные мозгом адаптивные компьютерные архитектуры, основанные на новой технологии резистивной памяти (мемристоры).Конкретная мемристорная модель, используемая в этой NMS, является полуэмпирической моделью, полученной из работ Симмонса (Simmons, 1963; Simmons, Verderber, 1967) и Mott and Gurney (1940). Подробное описание модели представлено в разделе 5.1. Основными строительными блоками NMS являются мемристорные синапсы, нейроны и обучающие схемы. Архитектура ESN использует эти примитивные блоки для повышения эффективности использования площади и мощности. Углубленное сравнение предложенных архитектур ESN в чисто цифровых и смешанных схемах подтверждается для двух различных тестов, наборов данных биосигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и электромиограммы (ЭМГ).Конкретный вклад в это исследование: (i) проектирование тороидальной архитектуры ESN с гибридной топологией; (ii) цифровая реализация архитектуры ESN, портированная на различные платформы FPGA; (iii) разработка архитектуры ESN со смешанными сигналами с подпороговыми цепями; (iv) новый биполярный входной синапс, который усиливает несоответствие; (v) анализировать влияние синапсов, основанных на случайном рассогласовании, на площадь и мощность ESN; и (vi) анализ характеристик и мощности реализаций цифровых и смешанных сигналов ESN. Все проектные абстракции архитектуры ESN проверены и протестированы на биосигналы ЭЭГ и ЭМГ с приложениями для обнаружения эпилептических припадков и контроля протезов пальцев.

Остальная часть документа организована следующим образом: Раздел 2 обсуждает теорию и основы резервуаров (особенно ESN), Раздел 3 представляет предлагаемую архитектуру ESN и различные топологии, Раздел 4 обсуждает цифровую реализацию предлагаемых архитектур ESN наряду с с переносимостью на настраиваемые структуры FPGA, в разделе 5 представлены новые строительные блоки схемы смешанного сигнала для архитектуры ESN и исследуются возможности их проектирования, в разделе 6 обсуждаются тесты биосигнала, используемые для проверки, в разделе 7 приводятся результаты и подробный анализ предлагаемой архитектуры ESN, и Раздел 8 завершает работу.

2. Сеть состояний эха: теория и предыстория

Echo State Network (ESN) — это класс вычислительной модели коллектора, представленный Jaeger (2001). ESN рассматриваются как частично обученные искусственные нейронные сети (ИНС) с повторяющейся топологией сети. Они используются для задач пространственно-временной обработки сигналов. Модель ESN вдохновлена ​​развивающейся динамикой того, как мозг обрабатывает временные стимулы. Он состоит из входного слоя, пластового слоя и выходного слоя (см. Рисунок 1A).Слой коллектора — это сердце сети с богатыми повторяющимися связями. Эти соединения генерируются случайным образом, и каждому соединению присваивается случайный вес. После создания эти случайные веса никогда не изменяются на этапах обучения или тестирования сети. Выходной слой ESN линейно комбинирует требуемый выходной сигнал из богатого разнообразия сигналов возбужденного слоя-коллектора. Основная идея состоит в том, что нужно обучать только веса выходного слоя с использованием простых алгоритмов линейной регрессии.ESN обеспечивает высокопроизводительную математическую основу для решения ряда задач. В частности, они могут быть применены к рекуррентным искусственным нейронным сетям без внутреннего шума. ESN имеют упрощенные алгоритмы обучения по сравнению с другими повторяющимися ANN и более эффективны, чем методы на основе ядра (например, Support Vector Machines) из-за их способности включать временные стимулы (LukošEvičIus and Jaeger, 2009). Из-за повторяющихся подключений выход резервуара зависит от текущего состояния ввода и всех предыдущих состояний ввода в системной памяти.Повторяющаяся сетевая топология коллектора позволяет выделить пространственно-временные сигналы. Это свойство использовалось в нескольких прикладных областях, таких как идентификация движения (Ishu et al., 2004), анализ естественного языка (Tong et al., 2007) и распознавание речи (Skowronski and Harris, 2007).

Рис. 1. (A) Сеть состояний эхо-сигналов состоит из трех уровней: входной, пластовый и выходной. (B) Абстрактная структура сети состояний эха.Как сигналы распространяются через ESN и влияние различных наборов весов в сети.

2.1. Алгоритм обучения

Три основных набора весов связаны с ESN (см. Рисунок 1B). Веса на входе и пластах коллектора генерируются случайным образом. Эти слои используются для извлечения временных характеристик входного сигнала. Их можно рассматривать как внутренний этап предварительной обработки, который подготавливает сигнал для фактического уровня обработки, где классификация изучается на уровне считывания. На рисунке 1B также показано распространение сигналов через ESN. Входной сигнал в ESN u ( n ) предварительно обрабатывается на входном и пластовом уровнях для извлечения сигнала временных характеристик x ( n ), который подается на слой считывания для завершения процесса классификации. . Учитывая, что входные слои и слои резервуара не являются фактическими частями этого процесса, их веса не обучаются, что значительно упрощает обучение ESN по сравнению с другими типами RNN.

Целью обучающего алгоритма является вычисление весов в выходном слое на основе динамического отклика (состояний) пласта-коллектора (Jaeger, 2002). Состояния пласта-коллектора вычисляются на основе входных векторов и весов входного и пластового слоя, как показано в уравнении (1).

x [n + 1] = fres (Winu [n + 1] + Wxx [n]) (1)

, где u [ n ] — вход ESN, W в — матрица весов между входным слоем и слоем резервуара, W x — матрица весов между нейронами в слое резервуара. , а f res — функция активации пласта-коллектора.

Состояния пластового слоя для всех входных векторов используются в качестве входных данных для контролируемого обучения для вычисления выходных весов W из . Существует несколько методов линейной регрессии для вычисления весов в выходном слое. В этой работе используется обычное уравнение для реализации контролируемого обучения ESN (рисунок 1B).

Wout = (YX ′) (XX ′) — 1 (2)

, где X — это матрица, объединяющая все состояния пласта-коллектора, а Y — это матрица всех результатов обучения.

Процесс обучения ESN можно объяснить следующими шагами:

1. При инициализации случайным образом сгенерируйте веса для входного и пластового слоев ( Вт, в и Вт x ).

2. Переместите следующий входной вектор u [ n + 1] на входной слой.

3. Рассчитайте отклик пласта-коллектора, используя (1).

4. Сохраните ответ в матрице ( X ).

5. Повторите шаги 2–4 для всех входных векторов.

6. Рассчитайте выходные веса на основе обычного уравнения (2).

После вычисления весов выходного слоя сеть готова, и состояние пластового слоя используется для расчета выходных данных сети, как показано в уравнении (3).

y [n + 1] = fout (Woutx [n + 1]) (3)

, где y ( n + 1) — выход сети, W out — матрица весов на уровне считывания, а f out — функция активации слоя считывания.

3. Предлагаемая топология и архитектура ESN

Топология

ESN относится к паттерну взаимосвязей между резервуарными нейронами. В литературе было представлено несколько топологий резервуара (Родан и Тино, 2011). ESN использует топологию полностью или случайно связанных пластов коллектора (Jaeger, 2001). Форма этих топологий и их степень связности определяется матрицей весов пласта-коллектора W x , где веса неподключенных каналов установлены равными нулю. Такой случайный метод генерации топологий для пласта-коллектора имеет конструктивные ограничения. Требуется несколько проб, чтобы найти подходящую топологию для данного приложения. Динамически регенерировать эти связи нетривиально; и это требует сохранения всех подключений. Нет никакой гарантии, что сгенерированный шаблон будет лучшим выбором для целевого приложения (Rodan and Tino, 2011). Более того, случайная топология с высокой степенью связи слишком сложна для реализации на оборудовании, где сложность маршрутизации, накладные расходы области и энергопотребление значительно выше.Таким образом, для аппаратной реализации ESN желательны простые топологии резервуара.

В кольцевой топологии, представленной Роданом и Тино (2011), нейроны резервуарного слоя соединены в форме кольца, где выход каждого нейрона соединен только с соседним нейроном (рис. 2А). Уравнение (4) используется для вычисления состояния одиночного нейрона x ( s ) в слое резервуара на определенном временном шаге n . Это уравнение можно обобщить для расчета состояния всего пласта коллектора, как показано в уравнении (5).

x (s) [n] = fres (Win (s) U [n] + Wring (s) x (s-1) [n-1]) (4)

, где x ( с ) [ n ] — это состояние нейрона с на временном шаге n . W в ( s ) — это входной вес, связанный с нейроном s . U [ n ] — ввод на временном шаге n . W кольцо ( s ) — вес резервуара между нейронами s и s — 1. x ( с — 1) [ n — 1] — состояние нейрона с — 1 на предыдущем временном шаге n — 1.

X [n] = fres (Winu [n] + WringX [n-1] ≪≫) (5)

, где X [ n ] — это состояние всех нейронов в слое резервуара на временном шаге n . Вт в — матрица входных весов. W кольцо — вектор веса резервуара (один вес для каждого нейрона). X [n-1] ≪≫ относится к состоянию всех нейронов в слое резервуара на временном шаге n — 1, повернутых на один.

Рис. 2. (A) ESN с топологией кольцевого коллектора. Каждый нейрон-резервуар имеет два входа и один выход. (B) ESN с центральной топологией нейрона. Резервуарные нейроны связаны с одним центральным нейроном, который работает как концентратор. (C) ESN с гибридной топологией. Каждый нейрон имеет три входа и один выход.

Эта топология обеспечивает низкую степень связности в сети, но имеет большой диаметр сети и среднее расстояние между резервуарными нейронами.Для слоя кольцевого резервуара, который имеет N нейронов, диаметр составляет N 1 , а среднее расстояние составляет 23N. Этот большой диаметр вызывает задержку реакции резервуара на изменения входящего потока. Такая задержка нежелательна в приложениях обработки информации биосигнала.

Простые обновления кольцевой топологии могут исправить значения большого диаметра и среднего расстояния. Добавление различных ярлыков в слой резервуара уменьшает эти значения, но это приведет к несбалансированной сети, где расстояние между нейронами будет варьироваться в зависимости от их местоположения от ярлыков.Использование унифицированных соединительных звеньев обеспечивает постоянное расстояние между всеми нейронами. Комбинирование кольцевой топологии, показанной на рисунке 2A, с топологией центрального нейрона, показанной на рисунке 2B, может дать сбалансированные унифицированные ярлыки сети, которые увеличивают связи между нейронами и улучшают свойства сети. На Рисунке 2C показана предлагаемая гибридная топология коллектора. Эта топология имеет малый диаметр и среднее расстояние по сравнению с кольцевой топологией. Диаметр составляет 2 , а среднее расстояние меньше 2 .Резервуар плотно связан и более чувствителен к изменениям входа в сеть. Состояние резервуара рассчитывается с использованием уравнений (6) и (7). Уравнение (6) используется для расчета состояния центрального нейрона, который используется для расчета состояния всего резервуара с использованием уравнения (7).

, где Xc — состояние центрального нейрона. W вверх — вектор веса синапсов от нейронов резервуарного слоя к центральному нейрону.

X [n] = fres (Winu [n] + WdownXc + WringX [n-1] ≪≫) (7)

, где W вниз — вектор весовых коэффициентов синапсов от центрального нейрона к нейронам резервуарного слоя.

С точки зрения сложности гибридная топология имеет два дополнительных синапса на нейрон по сравнению с кольцевой топологией. Эти синапсы соединяют нейроны резервуарного слоя с центральным нейроном. Идея использования центрального нейрона состоит в том, чтобы предоставить каждому нейрону в слое резервуара информацию о состоянии всего резервуара.Он имитирует полностью связанную топологию, в которой каждый нейрон имеет полный доступ ко всем нейронам в слое резервуара.

Гибридная топология состоит из четырех основных групп синаптических связей: набор входов, набор выходов, набор колец и набор центральных нейронов (см. Рисунки 2C, 3). Входные, выходные и центральные наборы соединяют каждый отдельный нейрон в резервуаре с тремя ключевыми нейронами сети: входным, выходным и центральным нейронами. Одновременно набор колец соединяет нейроны резервуара в гирляндную цепочку (каждый нейрон соединяется с двумя своими соседями по кольцу).Одно звено, которое проходит через все нейроны в слое резервуара в форме кольца, может использоваться для каждого набора для распределения этих сигналов. Это означает, что четыре кольца могут реализовать все необходимые соединения гибридной топологии, как показано на рисунке 3A. На этом рисунке показаны два типа кольцевых соединений. Первый тип используется для входных, выходных и центральных нейронных соединений. Эти кольца проходят через резервуарные нейроны, которые связаны с кольцами через синаптические связи. Это означает, что каждое кольцо передает одиночный электрический сигнал.Второй тип кольца используется для кольцевой топологии (зеленое кольцо). Это кольцо проходит через резервуарные нейроны. Любая точка этого кольца имеет свой собственный электрический сигнал, отличный от любой другой точки. Кольца на рисунке 3A имеют цветовую кодировку, чтобы соответствовать рисунку 2C, который показывает гибридную топологию.

Рисунок 3. (A) Гибридная топология, реализованная в виде четырех колец. Цвета колец указаны на Рисунке 2. Пурпурное кольцо используется для соединений между входным слоем и слоем резервуара.Зеленое кольцо используется для соединений кольцевой топологии. Красное кольцо используется для соединений центрального нейрона. Оранжевое кольцо используется для соединений между пластом коллектора и выходным слоем. (B) 5 x Тороидальная сеть из 5 двойных витков, используемая для реализации гибридного резервуара из 25 нейронов. Двойные связи используются в этой тороидальной архитектуре для реализации четырех схем кольцевых соединений, необходимых для гибридной топологии резервуара. Показана внутренняя структура каждого узла в используемой тороидальной архитектуре.Каждый узел содержит нейрон-резервуар вместе со всеми связанными с ним синаптическими связями.

3.1. Двойная витая тороидальная архитектура

Тороидальная архитектура с двойным витком обеспечивает схему кольцевых соединений, необходимую для гибридной топологии, показанной на рисунке 3B. На этом рисунке также показана внутренняя структура каждого узла в предлагаемой архитектуре. Каждый узел в этой архитектуре представляет нейрон в гибридной топологии резервуара вместе с четырьмя связанными с ним синапсами: входным, выходным, кольцевым и центральным нейроном.Ссылки на рисунке 3B имеют цветовую кодировку в соответствии с рисунком 3A. Пурпурное кольцо используется для связи между входным нейроном и резервуарными нейронами. Оранжевое кольцо используется для связи между нейронами резервуара и выходным нейроном. Зеленое кольцо используется для соединений кольцевой топологии. Красное кольцо используется для соединений центрального нейрона. Два типа синаптических связей используются для соединения резервуарных нейронов с центральным кольцевым соединением нейронов: W вверх и W вниз . W вверх синаптических связей используются для передачи сигналов от резервуарных нейронов к центральному нейрону. Эти сигналы суммируются в центральном нейроне и затем распределяются обратно в нейроны резервуара с использованием W по синаптическим связям. Для получения дополнительной информации о центральном нейроне обратитесь к уравнениям (6) и (7).

В целом, тороидальная архитектура с двойным витком является реконфигурируемой и обеспечивает легкую переносимость с помощью нескольких дополнительных переключающих элементов.Преимущество в этом случае — внутренняя схема подключения тороидальной архитектуры с двойным витком, которая обеспечивает прямое отображение гибридной топологии без каких-либо дополнительных переключающих элементов. Это делает тороидальную архитектуру с двойным витком простой по сравнению с другими тороидальными архитектурами, например, двумерной сеткой, как с точки зрения требуемых ресурсов, так и с точки зрения сложности конструкции, когда для маршрутизации сигналов не используются мультиплексоры или переключатели. Одно предостережение заключается в том, что тороидальная архитектура с двойным витком, сконфигурированная для гибридной топологии, не может быть повторно использована для реализации других топологий резервуара.Однако масштабируемость по-прежнему обеспечивается скрученной тороидальной архитектурой, в которой может быть реализован резервуар любого размера. Между узлами дважды скрученной тороидальной архитектуры и нейронами резервуара существует взаимно однозначное отношение. Общее количество входных связей с каждым нейроном резервуара — четыре (см. Рисунок 3A). Узел с двухзвенной дважды скрученной тороидальной архитектурой имеет восемь звеньев. Из восьми ссылок четыре используются в качестве входных ссылок на нейрон, а остальные используются в качестве выходных.В следующих двух разделах представлены цифровые и смешанные реализации этой архитектуры.

4. Цифровой дизайн ESN

Цифровая архитектура ESN оптимизирована для реконфигурируемых платформ без ущерба для ее производительности. Работа сети описывалась как полностью параллельная, а не частично последовательная. Это касается потоков входных данных в реальном времени, которые имеют небольшую задержку, связанную с последующим вводом, и фиксируют любые пространственные характеристики во входных данных.Функции активации разработаны с использованием кусочных аппроксимаций вместо использования справочных таблиц. Такой выбор конструкции значительно экономит общее количество элементов памяти, так как сеть состояний эха использует четыре веса на каждый нейрон резервуара. В модели высокого уровня сеть функционировала за счет приращения дельта-цикла. Шаги приращения дельты — это шаги моделирования, которые не увеличивают номинальное время и помогают синхронизировать все параллельные вычисления, происходящие в пределах временного шага. Для цифрового проектирования регистры были добавлены между каждым нейроном в резервуаре для получения постоянных результатов при моделировании и аппаратной реализации, в противном случае сигналы будут постоянно распространяться по резервуару асинхронно с непроверенным поведением.Цель состояла в том, чтобы максимально приблизить модель архитектуры высокого уровня к реконфигурируемой реализации, чтобы анализ был применим для масштабируемых сетей.

На рисунке 4 показана общая диаграмма RTL для нейрона в сети. Каждый нейрон имеет три входа, которые поступают от сетевых входов, предыдущего нейрона в гибридной топологии и центрального нейрона. Веса хранятся в триггерах и используют запись с фиксированной запятой из 10 целочисленных битов и 20 дробных битов, Q (10.20). Эти веса умножаются на каждый результат, используя Q (10.20) битовые умножители, а затем суммируются с использованием 3-битных (10.20) -битных сумматоров. Для активации нейрона функция tanh используется путем реализации кусочно-линейной аппроксимации, которую можно увидеть в уравнении (8). Линейное приближение было выбрано, чтобы иметь только наклоны, которые были степенями двойки, чтобы учесть сдвиги вместо единиц множителя. Поскольку кусочная функция имеет пять границ решения, использовались три входных мультиплексора 2-1 Q (10.20), как можно увидеть на диаграмме RTL. Последний шаг был применен для добавления более сильного временного аспекта к сети, сделав выход нейрона функцией его текущего порога активации и предыдущего порога активации.Это делается путем суммирования текущего нейрона в момент времени t с предыдущим результатом в момент времени t — 1 после применения коэффициента масштабирования α, такого что X ( t ) = α X ( t ) + (α — 1) X ( т — 1). Предыдущий ввод масштабируется на 1 — α, в то время как ток масштабируется на α. Для простоты аппаратного обеспечения значение α было выбрано равным 0,5, что позволяло сдвиг вправо вместо использования умножителя перед сумматором с фиксированной точкой.Последние регистры используются для хранения значения, позволяющего производить временные вычисления. Таблица 1 показывает использование ресурсов и энергопотребление для одного нейрона-резервуара в трех реализациях ПЛИС с разбивкой мощности на синаптическое умножение, активацию tanh, синаптическую сумму и общую.

[H] tanh (x) = 1, когда x ⩾ 1,5 = x / 2 + 0,25, когда 0,5 ⩾ x> 1,5 = x, когда -0,5 ⩾ x> 0,5 = x / 2−0.25, если −1,5 ⩾ x> −0,5 = −1 в противном случае (8)

Рис. 4. Диаграмма уровней RTL резервуарного нейрона в цифровой реализации ESN . Все направления сигналов слева направо.

Таблица 1. Использование ресурсов ПЛИС и энергопотребление для скрытого нейрона на трех ПЛИС .

Выходной нейрон построен примерно так же, за исключением того, что он принимает в качестве входных данных выходной сигнал от каждого нейрона в резервуаре, за исключением центрального нейрона.Таким образом, используемое дерево сложения — это журнал 2 (размер резервуара). Кроме того, используемая функция активации является линейным выходом синаптического суммирования, поэтому никакая дополнительная логика не используется для активации или временного аспекта, упомянутого ранее.

5. Конструкция коллектора со смешанными сигналами

Цифровая схема ESN, представленная в последнем разделе, имеет хорошую производительность и ее легко переносить на готовые коммерческие компоненты (FPGA). Однако эти реализации имеют большие затраты энергии и площади из-за ограничений доступности ресурсов на ПЛИС.В этом разделе мы предлагаем эффективную схему ESN, которая использует динамику, присущую простым схемам со смешанными сигналами. Сначала мы дадим краткий обзор полуэмпирической модели мемристорного устройства, которая использовалась в данной работе. Затем мы показываем, что дифференциальные усилители токового режима, работающие в подпороговом режиме, имеют поведение естественного гиперболического тангенса. Этот результат хорошо известен (Mead, 1989) и для удобства резюмирован здесь. Затем мы исследуем возможность использования рассогласования в близко расположенных транзисторах для реализации случайного распределения веса в резервуаре.Показано, что этот метод эффективен по площади при высоком требуемом разрешении по весу. Наконец, мы представляем новый слой считывания ESN, основанный на схеме перекрестной перемычки мемристора. Высокая плотность перемычки обеспечивает полную связь от коллектора к выходному слою при низкой стоимости площади.

5.1. Мемристор Модель

Мемристоры

— это двухполюсные устройства, проводимость которых зависит от состояния (Chua, 1971, 2011; Chua and Kang, 1976). В этой работе мы используем полуэмпирическую мемристорную модель, заимствованную из работ Симмонса (Simmons, 1963; Simmons, Verderber, 1967) и Мотта и Герни (1940).Предполагается, что в токе мемристора преобладает туннелирование, что приводит к экспоненциальной зависимости ВАХ:

im = {(1 − γ + gγ) Gmoffξ1 + sh (vmξ1 +), vm≥0 (1 − γ + gγ) Gmoffξ1 − sinh (vmξ1 -), vm <0, (9) ΔγΔt = χ (vm (t)) = {ξ4 + sh (ξ5 + vm (t) −ξ6 + Vtp) fwin (γ), vm> Vtpξ4 − sinh (ξ5 − vm (t) −ξ6 − Vtp) fwin ( γ), vm , где ξi + (-) — подгоночные параметры, V tp и V tn — положительные и отрицательные пороговые напряжения, а f win — оконная функция, которая обеспечивает γ не становится больше 1 или меньше 0.Оконная функция выражается как

fwin (γ) = {exp [−ξ2 + (γ − ξ3 +]) 1 − γ1 − ξ3 +, vm≥0, γ≥ξ3 + exp [ξ2− (γ − ξ3 -)] γξ3−, vm <0, γ≤ ξ3−1, иначе (11)

где ξi + (-) — подгоночные параметры. Эмпирические модели, подобные представленной выше, могут соответствовать широкому диапазону характеристик устройства (Yakopcic et al., 2013). В этой работе модель соответствует экспериментальным результатам для устройств W / Ag-халькогенид / W, которые показывают воспроизводимое инкрементное переключение проводимости (Oblea, 2010).

5.2. Резервуарные нейронные цепи

В общем, методы расчета коллектора могут использовать одну из многих различных функций активации в пласте коллектора.ESN обычно используют функции активации с сигмовидной формой, которая может быть униполярной (с диапазоном от 0 до +1) или биполярной (с диапазоном от -1 до +1). В многослойных сетях персептронов было показано, что биполярные функции, такие как tanh, обеспечивают лучшую точность (по сравнению с функциями униполярной активации) для задач классификации (Karlik and Olgac, 2010). В этой работе мы обнаружили, что функции активации tanh также приводят к более богатой динамике коллектора, что приводит к большей точности классификации в ESN.Реализовать функцию активации tanh очень просто, используя дифференциальный усилитель, смещенный по слабой инверсии (подпороговое значение; Mead, 1990). Схема нейронной цепи показана на рисунке 5А. Нетрудно показать, что выход нейрона

ix≡ix + -ix- = Imaxtanh (isRin2nVT), (12)

, где В T — это тепловое напряжение, а n — это константа, связанная с процессом, которая составляет ≈1,2 для 45-нм технологии CMOS. Во всех последующих моделях и результатах I max выбирается равным 1 нА.Соотношение тока и напряжения показано на рисунке 5B. Модель в уравнении (12) сравнивается с моделированием HSPICE, показывая хорошую точность. Небольшие отклонения от модели, вероятно, связаны с эффектами короткого канала, которые не учитываются в уравнении (12). Например, для уменьшения площади использовался источник тока с одним МОП-транзистором с минимальными размерами, что приводит к модуляции длины канала. Этот эффект можно уменьшить, увеличив длину канала источника тока или используя каскодное зеркало. Однако это приведет к увеличению стоимости площади.Всего площадь нейрона

Анейрон≈5Amatch, (13)

, где Соответствие — это область полевого МОП-транзистора с небольшим стандартным отклонением его порогового напряжения. Более крупные устройства будут иметь меньшие стандартные отклонения (Pelgrom, 1989). Можно показать, что стандартное отклонение V th ≈ 14% при использовании минимального размера ( W, = 45 нм и L = 45 нм). В этой работе мы используем значение A match , что дает стандартное отклонение ниже 5%, которое возникает, когда площадь устройства составляет 10 × минимальный размер.Следовательно, A соответствует ≈ 20250 нм 2 . Помимо площади, энергопотребление нейрона можно смоделировать как

Пневрон≈ImaxVDD. (14)

Рис. 5. (A) нейронная цепь с гиперболическим тангенсом и (B) ее соотношение тока и напряжения.

Здесь мы предположили, что статическая мощность нейрона преобладает над общей потребляемой мощностью.

5.3. Цепи синапсов резервуара

Самый простой способ реализовать схему синапса, совместимую с нейроном, описанным выше, показан на рисунке 6A.Синапс представляет собой конструкцию с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Два входа управляются масштабированными положительными и отрицательными выходами пресинаптического нейрона. Конкретно, если два зеркальных транзистора PMOS имеют идеальное согласование, то положительный (отрицательный) выход пресинаптического нейрона i x j + ( i x j ) масштабируется с коэффициентом β p 2 ∕ β p 1 , в результате чего возникает ток источника i 1 .Аналогично, i x j ( i x j + ) масштабируется с помощью коэффициента β n 2 ∕ β n 1 , вызывая ток стока i 2 . Тогда вывод синапса i s ij будет i 1 i 2 . Если w ij ≡ β p 2 ∕ β p 1 = β n 2 ∕ β n 1 , то синаптический выходной ток будет

Рисунок 6.Схема (A) детерминированной схемы синапса с постоянным весом в токовом режиме и (B) предлагаемой схемы синапса, которая использует вариации процесса .

Обратите внимание, что если i x j + ( i x j -) отображается через зеркало PMOS и i x j — ( i x j +) отражается через зеркало NMOS, тогда w ij будет положительным (отрицательным).Следовательно, можно случайным образом связать каждый синапс в резервуаре с положительным или отрицательным выходом нейрона (с вероятностью 50% в обоих случаях), чтобы получить распределение положительных и отрицательных весов. Кроме того, отношения размеров β p 1 ∕ β p 2 = β n 1 ∕ β n 2 могут быть сгенерированы из равномерного или нормального распределения для получения желаемой вероятности. функция плотности для весов. Стоимость площади при таком подходе зависит от двух факторов.Во-первых, будет минимальный размер ( W, L ) min и соответствующая область A соответствие для каждого транзистора, которое регулируется желаемым уровнем соответствия в текущих зеркалах. Второй фактор, определяющий стоимость синаптической области, — это их весовое распределение. Обратите внимание, что это распределение будет дискретным, поскольку значения веса определяются соотношением геометрии полевого МОП-транзистора. Пусть w res будет разрешением распределения.Кроме того, пусть каждый вес кратен w res , так что w ij = k ij w res , где k ij ∈ ℕ (т. Е. Веса равномерно распределены). Теперь ожидаемая площадь синапсов для определенного распределения веса будет

.
E [AsynapseBaseline] = 2AmatchE [kijgcd (1wres, kij)], (16)

, где НОД (·) — наибольший общий делитель.Уравнение (16) учитывает тот факт, что минимальный размер синапса будет 2 соответствует , поскольку схема состоит из двух полевых МОП-транзисторов. Также учитывается, что знак входных полевых МОП-транзисторов двух текущих зеркал, определяющих синапс, будет влиять на синаптическую область. Например, рассмотрим случай, когда разрешение по весу составляет w res = 1/100. Чтобы вес имел значение w ij = 1/100, входные полевые МОП-транзисторы должны иметь области 100 A , соответствующие , а выходные полевые МОП-транзисторы должны иметь области A совпадение .Для того же разрешения, чтобы иметь вес w ij = 1, входные и выходные синапсы могут иметь площади 100 A , совпадающие с , но это гораздо более эффективно по площади для у них все области A соответствуют . Другими словами, площадь, принятая в уравнении (16), является минимально возможной площадью для получения желаемых значений веса и удовлетворения требований к минимальной площади для согласования.

К сожалению, уравнение (16) показывает, что из-за воздействия большой площади невозможно реализовать веса с высоким разрешением, используя схему на рисунке 6A.Вместо этого наш подход состоит в том, чтобы использовать эффекты несоответствия транзисторов для достижения случайного распределения веса на входном уровне ESN и слоях резервуара. Эта идея была исследована ранее Yao et al. (2013) в реализации машины с экстремальным обучением (ELM) с униполярными входными (входы в синапс строго положительными или отрицательными) синапсами. Здесь мы расширяем их работу, (i) предлагая биполярный входной синапс, который использует несоответствие, и (ii) анализируя влияние случайных синапсов, основанных на несоответствии, на площадь и мощность сети.Предлагаемая схема показана на рисунке 6В. Подобно схеме синапса на рисунке 6A, предлагаемая конструкция имеет дифференциальный вход и несимметричный выход. Однако теперь два входа управляются масштабированным положительным или отрицательным выходом пресинаптического нейрона, а также масштабированным максимальным током I max . Схема использует случайные рассогласования в пороговых напряжениях транзисторов V th и коэффициентах усиления β из-за изменений процесса.Все схемы работают в подпороговом режиме, поэтому токи стока полевого МОП-транзистора экспоненциально зависят от порогового напряжения и линейны для коэффициента усиления. Следовательно, мы можем упростить наш анализ, рассматривая только изменения порогового напряжения. Для текущего зеркала NMOS на рисунке 6B мы определяем w 1 ij как

.
w1ij≡ioutiin = isij-ixj- = βn2βn1eΔVthnVT (17)

, где Δ V th — гауссова случайная величина, которая количественно определяет разницу между пороговыми напряжениями двух близко расположенных транзисторов, n — константа, связанная с процессом, которая равна ≈1.2, а В T — тепловое напряжение (≈26 мВ при комнатной температуре). Обратите внимание, что по определению w 1 ij будет распределено логнормально. Точно так же для зеркала PMOS мы определяем w 2 ij как

w2ij≡ioutiin = isij + Imax = βp2βp1eΔVthnVT, (18)

, где w 2 ij также распределено логнормально. Наконец, объединение уравнений (17) и (18) дает

isij = isij + -isij- = w2ijImax-w1ijixj-.(19)

Теперь мы хотели бы выразить i s ij в единицах единственного значения веса. Используя тот факт, что I max = i x j + + i x j , мы можем переписать уравнение (19) как

isij = (12w1ij + Δw) (ixj ++ ixj -) — w1ijixj- (20)
= 12 (ixj + -ixj-) w1ij + ImaxΔw = ioutwij + Imaxbij.

Теперь синаптический выходной ток записывается как выходной сигнал пресинаптического нейрона, умноженный на логнормально распределенное значение веса плюс член смещения. Член смещения b ij = w 2 ij — 0,5 w 1 ij будет распределен как разность двух логнормально распределенных случайных величин.

Случайное распределение веса в резервуаре можно отрегулировать, изменив размеры и коэффициенты усиления для транзисторов M1 – M4.Обобщая приведенный выше анализ и предполагая, что у нас есть

| wij | ~ lnN (lnβn22βn1, AVth3WL) (21)

, где lnN — логнормальное распределение, а A V th — константа, которая определяет стандартное отклонение рассогласования порогового напряжения в близкорасположенных транзисторах (Pelgrom, 1989). Для модели прогнозной технологии с низким энергопотреблением (PTM) 45 нм, используемой в этой работе, A V th = 4 мВ · мкм.Из уравнения (21) видно, что разброс весового распределения (а также распределение смещения) можно регулировать, увеличивая площадь транзисторов, используемых в токовых зеркалах. На рисунке 7 показано распределение весов и смещений в резервуаре при минимальных размерах транзисторов (то есть W, = L = 45 нм). Результаты моделирования были получены с использованием 10 000 симуляций Монте-Карло в HSPICE, где каждое из двух токовых зеркал на Рисунке 6B (M1 – M4) имело случайно несовпадающие пороговые напряжения с нулевым средним значением и дисперсией AVth3 ∕ (WL).Модели распределения (обсужденные выше) показывают отличное согласие с симуляциями.

Рис. 7. Анализ методом Монте-Карло, показывающий распределения (A) случайных весов и (B) случайных смещений, связанных с дизайном синапсов на рис. 6B .

Площадь предлагаемого синапса

AsynapseProposed = 2Amatch + 4Avar = Amatch (2 + 4a), (22)

, где A var — это площадь транзисторов M1 – M4, а a A var A соответствует .На рис. 8 сравнивается средняя площадь базового синапса и предлагаемого синапса для трех различных распределений веса в нескольких разрешениях. В каждом случае максимальная площадь предлагаемого синапса возникает, когда A var = A соответствует ( a = 1), в результате получается площадь 6 A совпадений . На рисунке 8A веса базового синапса равномерно распределены между -1 и +1.Обратите внимание, что шероховатость на базовых кривых происходит от НОД в уравнении (16). Для разрешений с низким весом (например, 1/ w res <10) базовый дизайн на самом деле более эффективен по площади, чем предлагаемый синапс на основе вариаций. Однако по мере увеличения разрешения по весу площадь базового синапса становится очень большой. Аналогичные результаты показаны для случаев, когда базовые веса распределены нормально (μ = 0, σ = 0,1) и логнормально (μ = 0, σ = 2.85), как показано на рисунках 8B, C соответственно. Помимо площади, мы также можем смоделировать потребляемую мощность предлагаемой схемы синапса, которая составит

.
Psynapseij = (VDD + VSS) Imaxηj + (vsi + VSS) Imaxηjw1ij (23)
+ (VDD-vsi) Imaxw2ij
+ (VDD + VSS) Imax
+ Vsi (Imaxw2ij-Imaxηjw1ij),

, где v s i — напряжение на выходном узле синапса (вход в постсинаптический нейрон), а η j — коэффициент активности пресинаптического нейрона, что можно оценить как 0.5. Первые четыре члена учитывают токи, протекающие через M1, M2, M3 и M4 соответственно (рисунок 6B). Последний член учитывает ток, протекающий в постсинаптический нейрон. Напомним, что входной каскад нейрона представляет собой резистор с одной заземленной клеммой. Объединение одинаковых терминов приводит к упрощенному выражению для потребляемой мощности, равному

.
Psynapseij = VDDImax (2ηj + ηjw1ij + w2ij + 2). (24)

Рис. 8. Зависимость средних площадей от разрешающей способности по весу для базовой линии и предлагаемой схемы синапсов на рисунке 6, где базовый план был распределен (A) равномерно между -1 и +1, (B) обычно с 0 средним и стандартным = 0 .1, и (C) логнормально со средним значением 0 и стандартным значением 2,85 . В каждом случае максимальная площадь предлагаемой конструкции синапса (6 A соответствует ) показана как ссылка.

Здесь мы использовали тот факт, что V DD = V SS .

5.4. Слой считывания и схемы обучения

Слой считывания ESN использует энергонезависимость и пластичность мемристоров для хранения и настройки выходных значений веса.Схема, соединяющая резервуар с выходным нейроном, показана на рисунке 9. Перекладина мемристора используется для реализации синаптических весов при низкой стоимости площади. Для каждого выхода резервуара предусмотрено два мемристора, представленных как идеальные источники тока. Один мемристор (верхний ряд) подавляет выход, а другой (нижний ряд) возбуждает выход. Это позволяет каждому синаптическому весу достигать состояния как положительного, так и отрицательного веса. Если мы положим R 1 = R 2 = R , то выходное напряжение v i будет равно

.
vi = ∑j = 0Nixjwij, (25)

, где w ij равно

wij = Gm + j − Gm − jGm + j + Gm − jR.(26)

Рисунок 9. Схема считывания для одиночного выхода ESN . Перекладина мемристора обеспечивает обучаемый вес нейрону с линейным выходом.

Здесь G m + j относится к мемристору нижней строки для конкретного входного столбца j . Точно так же G m j относится к мемристору верхнего ряда для конкретного входного столбца j . Состояния мемристора можно регулировать, подключив каждый ряд поперечин к земле, а каждый столбец поперечин — к напряжению записи v wj .Импульсы применяются к столбцам с использованием алгоритма стохастических наименьших средних квадратов (SLMS; Merkel and Kudithipudi, 2014) для обучения выходного слоя. Площадь выходного слоя может быть приблизительно равна

.
Aoutput≈NMAmatch + 9Amatch. (27)

В уравнении (27) M — количество выходов ESN. Здесь мы использовали операционный усилитель с семью транзисторами (дифференциальный каскад, за которым следует каскад усиления с общим истоком). Сопротивления в схеме операционного усилителя могут быть реализованы с использованием мемриторов, чтобы уменьшить стоимость площади на кристалле.Кроме того, мы предполагаем, что мощность резервуара и операционный усилитель будут доминировать на всей площади. Наконец, энергопотребление выходного слоя составляет

.
Poutput≈ηNMImaxVDD + 2MIbiasVDD. (28)

Первое слагаемое получается из выходов коллектора, вводимых в веса выходного слоя. Второй член относится к операционному усилителю, где I смещение = 0,1 мкА, которое используется для смещения обоих каскадов. Площадь и мощность схем, обсуждаемых в этом разделе, сравниваются с цифровой реализацией (FPGA) в разделе 7.

6. Тесты биосигнала

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и электромиограмма (ЭМГ) — это два биоэлектрических сигнала, используемых в этом исследовании. Данные для обоих этих сигналов собираются с помощью датчиков и дифференциальных усилителей. Тематические исследования, которые мы исследовали для этих двух сигналов, — это обнаружение эпилептического припадка (ЭЭГ) и контроль протеза пальцев с помощью ЭМГ. Однако предлагаемые модели являются общими и могут быть применены к другим расстройствам и терапевтическим диагностическим исследованиям. Эпилепсия — четвертое по распространенности неврологическое расстройство, при котором у каждого 26-го человека когда-нибудь возникает это расстройство (Sirven, 2015).Для лечения припадков существует несколько терапевтических вмешательств. Тем не менее, обнаружение начала приступа путем автоматического мониторинга данных ЭЭГ поможет врачам / службам экстренной помощи подобрать соответствующую дозировку лекарства в зависимости от остаточной эпилептической активности. Обычная картина в случае судорог состоит в том, что электрические сигналы мозга повторяются (Sirven, 2015). Набор данных ЭЭГ, который мы использовали в этом исследовании, был представлен в (Andrzejak et al., 2001). Он состоит из 500 одноканальных сегментов ЭЭГ по 23.6 с записано с частотой дискретизации 173,61 Гц. Набор данных был разделен на пять наборов (обозначены A – E), каждый набор содержит 100 сегментов ЭЭГ. В этом исследовании использовался набор A, содержащий записи поверхностной ЭЭГ пяти здоровых добровольцев, и набор E, содержащий сегменты судорожной активности, взятые у пяти пациентов. Набор данных находится в открытом доступе по адресу (Andrzejak et al., 2001).

Электромиография (ЭМГ) — это медицинская процедура для измерения и записи потенциала действия скелетных мышц, которые стимулируются неврологически или электрически (Keenan et al., 2006). ЭМГ содержит информацию о физическом состоянии нервно-мышечной системы, например о наборе единиц, срабатывании и намерении движения (Keenan et al., 2006). Эта работа классифицирует сигналы ЭМГ на основе движения пальцев руки. Идея состоит в том, чтобы использовать полученную информацию в качестве входных сигналов для управления протезом пальца. Набор данных ЭМГ, используемый в этом проекте, представлен в работе Khushaba and Kodagoda (2012). Он содержит сигналы поверхностной ЭМГ, записанные от шести мужчин и двух женщин в возрасте от 20 до 35 лет.Это здоровые добровольцы без неврологических и мышечных нарушений. Сигналы ЭМГ записывались, когда испытуемые двигали конечностями и пальцами в соответствии с заранее определенной процедурой. Для сбора данных использовались восемь поверхностных электродов ЭМГ. Электроды располагались по окружности предплечья. Сигналы были усилены до общего коэффициента усиления 1000. Они дискретизируются с помощью 12-битного АЦП с частотой дискретизации 4 кГц . Сигналы фильтруются в полосе частот от 20 до 450 Гц.Набор данных разделен на 15 классов на основе движений пальцев. Он содержит три сегмента ЭМГ по каждому предмету на каждый класс. В этом проекте используются пять классов, представляющих отдельные движения пальцев.

7. Результаты и анализ

7.1. Обнаружение эпилептических припадков

Двести сегментов ЭЭГ (160 для обучения и 40 для тестирования) используются для выявления эпилептических припадков. Нормализованные абсолютные значения этих сегментов передаются в ESN. Выходной сигнал ESN сравнивается с пороговым значением для вычисления окончательного двоичного выхода.

Две топологии ESN используются для обнаружения эпилептических припадков: кольцевая топология и гибридная топология. Для каждой топологии было проведено несколько симуляций, чтобы найти лучший размер коллектора и альфа-значение, обеспечивающие наивысшую точность классификации. Точность рассчитывается как отношение времени правильности вывода к общему времени моделирования. На рисунке 10 показана зависимость точности тестирования от размера коллектора и альфа-канала для кольцевой и случайной топологий. В обеих топологиях точность увеличивается с увеличением размера коллектора.Однако точность стабилизируется в пределах диапазона, когда размер резервуара превышает 100 нейронов. Результаты также показали, что изменение значения альфа не так сильно влияет на точность. В общем, альфа-значение 0,5 работает для двух топологий. Максимально достигаемая точность составляет ≈86 и ≈90% для кольцевой и гибридной топологии соответственно. Дополнительные синаптические связи внутри пластового слоя гибридной топологии помогают повысить точность. Эти связи увеличивают обмен сигналами между резервуарными нейронами и предоставляют больше информации об общей ситуации резервуара каждому нейрону, что увеличивает реакцию резервуара на изменения входного сигнала.

Рис. 10. Точность обнаружения эпилептических припадков в зависимости от размера резервуара и альфа для (A) кольцевой топологии с максимальной точностью 86% и (B) гибридной топологии с максимальной точностью 90% .

Три устройства FPGA были использованы для тестирования RTL-проекта архитектуры ESN. RTL-реализация ESN имеет 30 нейронов с форматом фиксированной точки Q (10.22). Аппаратная модель достигла точности 67,4% при усреднении 10 прогонов на 30 нейронах в резервуаре.Эта точность сопоставима с точностью, достигнутой в поведенческой модели того же размера. В таблице 2 показаны тактовая частота и использование ресурсов трех различных протестированных устройств FPGA.

Таблица 2. Использование ресурсов ПЛИС для реализации 30 нейронных резервуаров на трех различных ПЛИС .

7.2. Ортопедический Finger Control

В работе используются пять классов индивидуальных движений пальцев. Каждый класс содержит 24 сегмента ЭМГ длительностью 20 с.Сегменты делятся на более мелкие части длиной 4 с. Это увеличит общее количество сегментов до 120 на класс. Сто сегментов используются для обучения, а остальные 20 сегментов используются для тестирования. Для классификации движения пальца используется гибридная топология ESN. Используются восемь входных нейронов (по одному нейрону на каждый канал ЭМГ), в то время как пять нейронов используются для вывода (по одному нейрону на класс). Выходные сигналы этих нейронов обрабатываются с использованием метода «победитель получает все» для расчета окончательного двоичного выхода.Производительность гибридной топологии была проанализирована, чтобы найти лучшие параметрические значения. Было проведено несколько симуляций для различных размеров коллектора и значений альфа. Точность рассчитывается как отношение количества трасс, по которым правильная классификация, к общему количеству трасс. На рисунке 11 показана зависимость точности теста от размера резервуара и альфа-канала. На этом рисунке показана средняя точность 10 испытаний для каждой комбинации размера и альфа. Точность увеличивается с увеличением размера резервуара для нейронов размером менее 300.Однако точность стабилизируется в диапазоне для резервуаров большего размера. Достигнутая максимальная точность обучения и тестирования составляет 87 и 84% соответственно. На рисунке 12 показаны матрицы неточностей классификации точности обучения и тестирования.

Рис. 11. Влияние количества нейронов в резервуаре и альфа на точность тестирования распознавания движения пальца с использованием гибридной топологии .

Рис. 12. Матрица неточностей классификации пальцев по сигналам поверхностной ЭМГ с использованием гибридного резервуара из 300 нейронов для (A) тренировки с точностью 87% и (B) тестирования с точностью 84% .

7.3. Метрики для оценки ESN

Производительность резервуара зависит от случайно сгенерированных весов резервуара и некоторых других параметров, таких как альфа и размер резервуара. Поиск наилучших значений для этих параметров был открытым вопросом. Общая производительность коллектора использовалась для изучения влияния этих параметров. Это требует полного обучения резервуара для конкретного приложения, что занимает много времени и требует дополнительных ресурсов обработки.Более того, лучшие значения параметров могут варьироваться в зависимости от целевого приложения. Для тестирования коллектора требуются более общие метрики, не зависящие от целевого выхода. Эти метрики резервуара являются показателями качества резервуара. В литературе было предложено несколько показателей (Гиббонс, 2010; Нортон и Вентура, 2010). Chrol-Cannon et al. (Chrol-Cannon and Jin, 2014) сравнили способность четырех показателей коллектора для измерения производительности нескольких топологий коллектора.Метрики коллектора, используемые в их исследовании, включают: разделение классов, качество ядра, показатель Ляпунова и спектральный радиус. Результаты показывают, что качество ядра и показатель Ляпунова сильно коррелируют с производительностью коллектора. Эти две метрики используются в данной работе для размеров резервуаров от 10 до 100 нейронов, более 100 испытаний.

7.4. Качество ядра

Качество ядра — это мера линейной отделимости коллектора. Впервые он представлен Легенштейном и Маассом (2007) и пересмотрен Бусингом Бюзингом и др.(2010) и Chrol-Cannon et al. (Chrol-Cannon and Jin, 2014) как практический показатель резервуара. Реакция коллектора на весь набор входных векторов используется для расчета этой метрики. Все состояния коллектора объединяются в матрицу M, где каждый столбец в M представляет реакцию коллектора на один входной вектор. Качество ядра рассчитывается исходя из ранга этой матрицы. Он представляет собой свободу сети представлять каждый входной стимул по-разному. Целевое значение ядра равно размеру резервуара, что означает, что каждый резервуарный нейрон генерирует свой уникальный ответ, который не может быть восстановлен с помощью линейных комбинаций ответов других нейронов.Резервуары с оптимальной отделимостью будут иметь высокое качество ядра.

На рисунке 13 показаны результаты качества ядра для гибридной топологии пласта, обрабатывающей сигналы ЭЭГ и ЭМГ. Медиана значений качества ядра близка к целевому значению для различных размеров резервуаров как для сигналов ЭЭГ, так и для сигналов ЭМГ. Результаты показывают, что есть различия в значениях качества ядра, особенно для резервуаров размером более 50 нейронов. Это изменение является результатом случайно сгенерированного веса для входа и синапса резервуара, где низкое значение качества ядра может быть результатом неподходящего набора случайных весов.В целом значение качества ядра для данных ЭМГ кажется более стабильным по сравнению с данными ЭЭГ. Природа входных сигналов может привести к этой небольшой разнице между ЭЭГ и ЭМГ.

Рис. 13. Результаты ядра по сравнению с резервуарами разных размеров для тестирования резервуаров с гибридной топологией (A) ЭЭГ и (B) ЭМГ сигналы . Прямоугольники представляют 25-й и 75-й процентили измерений. Вискеры представляют значения из 25–75-го процентиля. Так как диапазон процентилей центрирован в (B) , размеры прямоугольников в (B) очень малы (просто линия, представляющая среднее значение диапазона).

7,5. Показатель Ляпунова

Показатель Ляпунова является мерой хаоса в динамической реакции коллектора. Эта метрика была сформулирована Гиббонсом (2010). Уравнение (29) используется для вычисления значения показателя Ляпунова. Положительные значения этого показателя представляют хаотическую динамическую область, а отрицательные значения представляют стабильную область. Поскольку оптимальная производительность коллектора находится на грани хаоса (Natschläger, 2005), желательно использовать нулевой показатель Ляпунова.(t) ‖) (29)

, где N — общее количество тестовых примеров, используемых для вычисления, k — неопределенный масштабный коэффициент, который зависит от типа и количества входных векторов, используемых в вычислении. В этом исследовании k выбран равным 1. u j ( t ) является входом в пласт на временном шаге t . u ĵ ( t ) — ближайший сосед к u j ( t ). x j ( t ) и x ĵ ( t ) — реакция резервуара на u j ( t ) и u ĵ ( т ) соответственно. На рисунке 14 показаны результаты экспоненты Ляпунова для гибридной топологии пласта, обрабатывающей сигналы ЭЭГ и ЭМГ. Результаты показали, что значения этого показателя выше нуля для сигналов ЭЭГ, в то время как они показали, что они близки к нулю для сигналов ЭМГ.Это означает, что гибридная топология имеет более хаотический ответ на сигналы ЭЭГ по сравнению с ответом на сигналы ЭМГ. Он также показал, что размер резервуара, обрабатывающего сигналы ЭЭГ, мало влияет на значение показателя Ляпунова по сравнению с резервуаром, обрабатывающим сигналы ЭМГ. Как и в случае с качеством ядра, есть вариации в значениях показателя Ляпунова, и это также связано со случайными весами входных и резервуарных синапсов.

Рисунок 14.Результаты показателя Ляпунова в зависимости от различных размеров резервуара для тестирования резервуара с гибридной топологией (A) ЭЭГ и (B) ЭМГ сигналов . Прямоугольники представляют 25-й и 75-й процентили измерений. Усы представляют собой значения за пределами 25–75-го процентиля.

7.6. Мощность

Рассеиваемая мощность четырех различных топологий коллектора количественно рассчитана с использованием уравнений (14), (23) и (28). Максимальный ток I max , VDD и коэффициент активности η, используемые в расчетах, равны 1 нА, 0.55 В и 0,5 соответственно. На рисунке 15 показано рассеивание мощности для этих топологий пласта, одностороннего кольца, двухстороннего кольца, гибридного и случайного со степенью связности 50% по пластам разного размера в логарифмическом масштабе. Рассеиваемая мощность в односторонней кольцевой, двухсторонней кольцевой и гибридной топологиях составляет несколько микроватт. Результаты показали, что односторонняя кольцевая топология имеет более низкое энергопотребление по сравнению с двусторонней кольцевой и гибридной топологиями. Это связано с небольшим количеством синапсов, которые имеет односторонняя кольцевая топология, где каждый нейрон резервуарного слоя имеет только один синапс.Результаты также показали, что зависимость между рассеиваемой мощностью этих трех топологий и размером коллектора является линейной. Это означает, что отсутствуют накладные расходы на рассеяние мощности для увеличения размера резервуара. Случайная топология имеет более высокое рассеяние мощности (в несколько милливатт), потому что она имеет большое количество синапсов по сравнению с другими топологиями. Он также показал, что рассеиваемая мощность случайной топологии экспоненциально связана с размером резервуара. По этой причине случайная топология нежелательна для аппаратной реализации.

Рисунок 15. Энергопотребление в зависимости от размера резервуара для четырех топологий ESN: одностороннее кольцо, двустороннее кольцо, гибридное и случайное в логарифмическом масштабе . Односторонняя кольцевая топология имеет более низкое энергопотребление по сравнению с другими топологиями, в то время как случайная топология имеет более высокое энергопотребление по сравнению с другими топологиями.

В таблице 3 сравнивается энергопотребление как цифровых, так и смешанных сигнальных реализаций гибридного резервуара из 30 нейронов. Производительность цифровой реализации ограничена ресурсами и логическими блоками, доступными на ПЛИС, при этом платформа Spartan-6LP-LX150T потребляет наименьшее энергопотребление.Как и ожидалось, использование заказных подпороговых схем в схеме ESN со смешанными сигналами привело к наибольшему сокращению рассеиваемой мощности. Показанная здесь экономия энергии находится в допустимых пределах для встраиваемых платформ с ограниченным энергопотреблением.

Таблица 3. Энергопотребление цифровых и смешанных сигнальных реализаций 30 нейронов гибридного резервуара .

8. Выводы

Это исследование подтверждает, что масштабируемая нейромемристическая архитектура ESN для приложений с ограниченным энергопотреблением возможна.Показано, что двойная скрученная тороидальная архитектура ESN с многоканальными связями обеспечивает точность классификации 90 и 84% для обнаружения эпилептических припадков и контроля протезов пальцев соответственно. Качество резервуара в ESN анализируется с использованием показателей качества ядра и показателя степени Ляпунова. Аппаратная реализация архитектуры ESN была изучена в двух частях: цифровой реализации и смешанном режиме. Использование рассогласования в пороговых напряжениях транзисторов для разработки подпороговых биполярных синапсов дало хорошее случайное распределение весов на входе ESN и уровне резервуара.Кроме того, профиль мощности схемы со смешанными сигналами низкий для всех топологий из-за подпороговых примитивных схем NMS. В целом предлагаемая архитектура является универсальной и может быть проверена для других приложений обработки биосигналов. В будущем возникнет необходимость в разработке показателей, отвечающих множеству целевых критериев для аппаратных архитектур RC.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа частично поддержана грантом AFRL.

Сноски

Список литературы

Анджеяк, Р. Г., Ленертц, К., Морманн, Ф., Рике, К., Дэвид, П., и Элгер, К. Э. (2001).Признаки нелинейных детерминированных и конечномерных структур во временных рядах электрической активности мозга: зависимость от области записи и состояния мозга. Phys. Ред. E 64: 061907. DOI: 10.1103 / PhysRevE.64.061907

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Büsing, L., Schrauwen, B., and Legenstein, R. (2010). Связь, динамика и память в резервуарных вычислениях с бинарными и аналоговыми нейронами. Neural Comput. 22, 1272–1311.DOI: 10.1162 / neco.2009.01-09-947

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бузаки, Г. (2006). Ритмы мозга . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Oxford University Press, Inc. doi: 10.1093 / acprof: oso / 9780195301069.001.0001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чрол-Кэннон, Дж., И Джин, Ю. (2014). О корреляции между показателями коллектора и производительностью для классификации временных рядов под влиянием синаптической пластичности. PLoS ONE 9: e101792. DOI: 10.1371 / journal.pone.0101792

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chua, L. (1971). Мемристор-недостающий элемент схемы. IEEE Trans. Circ. Теор. 18, 507–519. DOI: 10.1109 / TCT.1971.1083337

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гиббонс, Т. Э. (2010). «Унификация показателей качества для сетей резервуаров», Международная совместная конференция по нейронным сетям 2010 г. (IJCNN) (Барселона), 1–7.DOI: 10.1109 / IJCNN.2010.5596307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хопфилд, Дж. Дж. (1982). Нейронные сети и физические системы с новыми коллективными вычислительными возможностями. Proc. Natl. Акад. Sci. США 79, 2554–2558. DOI: 10.1073 / pnas.79.8.2554

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ишу, К., ван дер Зант, Т., Беканович, В., и Плогер, П. (2004). «Идентификация движения с помощью сети состояний эха», в OCEANS’04.МТТС / IEEE TECHNO-OCEAN’04, Vol. 3 (Кобе), 1205–1210. DOI: 10.1109 / OCEANS.2004.1405751

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джегер, Х. (2001). Подход Echo State к анализу и обучению рекуррентных нейронных сетей — с примечанием об ошибке . Технический отчет GMD 148, 34, Немецкий национальный исследовательский центр информационных технологий, Бонн, Германия.

Джегер, Х. (2002). «Адаптивная нелинейная идентификация систем с сетями эхо-состояний», в Advances in Neural Information Processing Systems (Cambridge, MA), 593–600.

Google Scholar

Карлик Б., Ольгац А. В. (2010). Анализ производительности различных функций активации в обобщенных MLP-архитектурах нейронных сетей. Внутр. J. Artif. Intell. Эксперт Syst. 1, 111–122.

Google Scholar

Кинан, К., Фарина, Д., Мерлетти, Р., и Энока, Р. (2006). Влияние свойств двигательных единиц на величину моделируемого вызванного поверхностного ЭМГ-потенциала. Exp. Brain Res. 169, 37–49. DOI: 10.1007 / s00221-005-0126-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хушаба Р. Н., Кодагода С. (2012). «Уменьшение характеристик электромиограммы (ЭМГ) с использованием анализа взаимных компонентов для управления многофункциональными протезами пальцев», 12-я Международная конференция по автоматизации управления робототехникой и зрением (ICARCV) (Шэньчжэнь), 1534–1539. DOI: 10.1109 / ICARCV.2012.6485374

CrossRef Полный текст

Легенштейн Р. и Маасс В.(2007). На грани хаоса и прогнозирование вычислительной мощности для моделей нейронных цепей. Neural Netw. 20, 323–334. DOI: 10.1016 / j.neunet.2007.04.017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

LukošEvičIus, M., and Jaeger, H. (2009). Подходы резервуарных вычислений к повторному обучению нейронной сети. Comput. Sci. Ред. 3, 127–149. DOI: 10.1016 / j.cosrev.2009.03.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Maass, W., Натшлегер Т. и Маркрам Х. (2002). Вычисления в реальном времени без стабильных состояний: новая структура для нейронных вычислений на основе возмущений. Neural Comput. 14, 2531–2560. DOI: 10.1162 / 089976602760407955

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартенс Дж. (2010). «Глубокое обучение с помощью оптимизации без использования гессиана», Труды 27-й Международной конференции по машинному обучению (ICML-10), (Хайфа), 735–742.

Google Scholar

Мид, К.(1989). Аналоговые СБИС и нейронные системы . Бостон, Массачусетс: Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc.

Меркель, К., Кудитипуди, Д. (2014). «Алгоритм стохастического обучения для нейромемристических систем», 27-я IEEE International, Конференция по системам на кристалле (SOCC) (Лас-Вегас, Невада), 359–364.

Меркель К., Салех К., Донахью К. и Кудитипуди Д. (2014). Архитектура мемристивных резервуарных вычислений для обнаружения эпилептических припадков. Proc.Comput. Sci. 41, 249–254. DOI: 10.1016 / j.procs.2014.11.110

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мотт, Н. и Герни, Р. У. (1940). Электронные процессы в ионных кристаллах. Лондон: Издательство Оксфордского университета.

Natschläger, T., Bertschinger, N., and Legenstein, R. (2005). «На грани хаоса: вычисления в реальном времени и самоорганизованная критичность в рекуррентных нейронных сетях», в Advances in Neural Information Processing Systems, Vol.17 , ред. Л. К. Саул, Ю. Вайс и Л. Ботто (Кембридж, Массачусетс: MIT Press), 145–152.

Нортон Д. и Вентура Д. (2010). Улучшение машин с жидким состоянием за счет итеративного уточнения резервуара. Neurocomputing 73, 2893–2904. DOI: 10.1016 / j.neucom.2010.08.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Облеа, А.С., Тимилсина, А., Мур, Д., Кэмпбелл, К.А., и Член, С. (2010). Мемристорные устройства на основе халькогенидов серебра. IEEE Proc. 3, 4–6. DOI: 10.1109 / ijcnn.2010.5596775

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pelgrom, M.J.M., Duinmaijer, A.C.J., и Welbers, A.P.G. (1989). Согласующие свойства МОП-транзисторов. IEEE J. Твердотельные схемы 24, 1433–1439. DOI: 10.1109 / JSSC.1989.572629

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schrauwen, B., D’Haene, M., Verstraeten, D., and Van Campenhout, J. (2007). «Компактное оборудование для распознавания речи в реальном времени с использованием машины с жидкими состояниями», в международной совместной конференции по нейронным сетям, 2007 г.IJCNN 2007 (Орландо, Флорида), 1097–1102.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Schürmann, F., Meier, K., and Schemmel, J. (2004). «Вычисление на грани хаоса в смешанном режиме vlsi-a hard liquid», в Advances in Neural Information Processing Systems (Cambridge, MA), 1201–1208.

Google Scholar

Симмонс, Дж. Г. (1963). Обобщенная формула электрического туннельного эффекта между одноименными электродами, разделенными тонкой изолирующей пленкой. Дж.Прил. Phys. 34, 1793. DOI: 10.1063 / 1.1702682

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Симмонс, Дж. Г., и Вердербер, Р. Р. (1967). Новые явления проводимости и обратимой памяти в тонких диэлектрических пленках. Proc. R. Soc. Математика. Phys. Англ. Sci. 301, 77–102. DOI: 10.1098 / rspa.1967.0191

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сковронски, М. Д., и Харрис, Дж. (2007). Устойчивое к помехам автоматическое распознавание речи с использованием сети с прогнозированием состояния эха. IEEE Trans. Audio Speech Lang. Proc. 15, 1724–1730. DOI: 10.1109 / TASL.2007.896669

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Суцкевер И., Мартенс Дж. И Хинтон Г. Э. (2011). «Генерация текста с помощью рекуррентных нейронных сетей», Труды 28-й Международной конференции по машинному обучению (ICML-11), (Бельвью, Вашингтон), 1017–1024.

Google Scholar

Тонг М. Х., Бикетт А. Д., Кристиансен Э. М. и Коттрелл Г.W. (2007). Изучение грамматической структуры с помощью сетей эхо-состояний. Neural Netw. 20, 424–432. DOI: 10.1016 / j.neunet.2007.04.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verstraeten, D., Schrauwen, B., and Stroobandt, D. (2005). «Резервуарные вычисления со стохастическими нейронами битового потока», в Proceedings of the 16th Annual Prorisc Workshop (Veldhoven), 454–459.

Google Scholar

Фон Гельмгольц, Х. (1867). Handbuch der Physiologischen Optik, Vol.9 . Лейпциг: Voss.

Google Scholar

Вербос, П. Дж. (1990). Обратное распространение во времени: что оно делает и как это делать. IEEE Proc. 78, 1550–1560. DOI: 10.1109 / 5.58337

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Якопчич, К., Таха, Т., Субраманьям, Г., и Пино, Р. (2013). «Мемристорная SPICE-модель и симуляция перекладины на основе устройств с наносекундным временем переключения», в International Joint Conference on Neural Networks (Dallas, TX), 464–470.DOI: 10.1109 / ijcnn.2013.6706773

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Яо, Э., Хуссейн, С., Басу, А., и Хуанг, Г.-Б. (2013). «Вычисления с использованием рассогласования: нейроморфные машины с экстремальным обучением», в , 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS) (IEEE), Vol. 1 (Роттердам), 294–297. DOI: 10.1109 / BioCAS.2013.6679697

CrossRef Полный текст | Google Scholar

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *