Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

1
В работе кратко описана история становления нового направления науки – квантовой электроники, связанная с открытием мазеров и лазеров учеными США (Ч. Таунс) и СССР (Н.Г. Басов и А.М. Прохоров). Представлен первый в мире лазер на рубине, разработанный Т. Мейманом. Приведены некоторые исторические факты, характеризующие исследование и разработку лазеров и, в особенности, роль сотрудников ГОИ им. С.И. Вавилова, автора статьи, а также Университета ИТМО и ЛОМО в разработке твердотельных и газовых лазеров (гелий-неоновых, фотодиссационных, CO2-лазеров) и лазерных оптических систем. Показано участие сотрудников ГОИ им. С.И. Вавилова, ЛОМО и Университета ИТМО в крупных программах по разработке лазеров для лазерного термоядерного синтеза, лазерного оружия и программы «Фобос». Освещены новые аспекты разработки и применения лазеров – в первую очередь, в проекте лазерной орбитальной космической станции будущего, а также для преобразования солнечной энергии в лазерное излучение. Приведено описание запатентованной ГОИ им. С.И. Вавилова идеи преобразования солнечной энергии с помощью фуллерен-кислородного лазера. Описаны разработанный фуллерен-кислород-йодный лазер и модели конструкций лазера для технологических применений и преобразования солнечной энергии в лазерное излучение. Даны параметры гипотетической лазерно-оптической системы космической станции будущего.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

17
К алгоритмам обработки данных в интерферометрических системах предъявляются требования высокого разрешения и быстродействия. В рекуррентных алгоритмах, основанных на параметрическом представлении сигналов, осуществляется последовательная обработка отсчетов сигнала. В ряде случаев рекуррентные алгоритмы позволяют повысить быстродействие и увеличить разрешение по сравнению с классическими методами обработки. Зависимость наблюдаемого интерферометрического сигнала от параметров его модели и стохастической природы формирования шумов в системе является в общем случае нелинейной. Для обработки таких сигналов целесообразно применение алгоритмов нелинейной стохастической фильтрации. Примером такого алгоритма может служить расширенный фильтр Калмана, основанный на линеаризации уравнений системы и наблюдения с использованием первых производных по вектору параметров. Для уменьшения ошибки аппроксимации нелинейных уравнений модели предложено использовать расширенный фильтр Калмана второго порядка, в котором при оценивании параметров дополнительно учитываются вторые производные уравнений модели по вектору параметров. Приведены примеры реализации алгоритма для различных наборов оцениваемых параметров. Предложенный алгоритм позволяет повысить качество обработки данных в интерферометрических системах, сигналы в которых формируются в соответствии с рассмотренными в работе моделями. Полученное среднеквадратическое отклонение оценки амплитуды от ее максимального значения не превысило 4%. Показано, что отношение сигнал/шум восстановленного сигнала увеличено по сравнению с исходным более чем на 60%.
23
Представлены исследования авторов статьи в области гиперболических метаматериалов. Гиперболические метаматериалы описываются тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей, главные компоненты которых имеют разные знаки. В связи с этим такие метаматериалы имеют гиперболические изочастотные поверхности в пространстве волновых векторов, что приводит к ряду необычных свойств, таких как проявление волнами на границе отрицательного преломления, расхождение плотности фотонных состояний, сверхвысокая скорость спонтанного излучения и увеличение субволновых полей. Набор таких уникальных свойств делает концепцию гиперболических метаматериалов перспективной для исследования в современной науке и объясняет попытки многих научных групп по всему миру реализовать структуры с гиперболическим изочастотным контуром для различных частотных диапазонов. Нами показано, что на сегодняшний день гиперболические метаматериалы могут быть реализованы в виде слоистых металлодиэлектрических структур, массивов нанопроводов, слоями графена, а также искусственными длинными линиями. Авторами статьи рассмотрены возможные практические применения гиперболических метаматериалов, в число которых входят гиперлинзы, способные увеличивать объекты наномасштаба; среды из проводов, которые применяются в спектроскопии для улучшения разрешения и увеличения расстояния до сканируемого объекта. Следует отметить, что гиперболические метаматериалы являются необычайно перспективными для применения в нанофотонике, в том числе для однофотонной генерации, зондирования и фотовольтаики.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

32
Рассмотрена проблема разработки оптического дефлектора для управления лазерным излучением в физиотерапевтических аппаратах. Показаны особенности построения и принципы функционирования электрооптического, акустооптического и механического дефлекторов, позволяющих осуществлять непрерывное или дискретное сканирование лазерного луча. Подробно раскрыт механизм работы дефлектора механического типа на примере отечественных лазерных терапевтических сканеров. Исследована возможность применения в клинической практике методики прогревания точек акупунктуры путем объемного сканирования тканей излучением полупроводниковых лазеров на длинах волн 0,67 и 0,85 мкм. Дано обоснование создания дефлектора нового типа. Проведено сравнение стабильной и лабильной методик облучения. Показано, что при объемном сканировании наблюдается более интенсивный прогрев поверхности кожи в проекции точки акупунктуры, чем при плоскостном сканировании лазерными лучами. Выявлено повышение температуры на поверхности кожи в проекции точки акупунктуры при облучении как в видимом диапазоне спектра (0,67 мкм), так и в инфракрасном диапазоне (0,85 мкм). Это позволяет применить данный метод сканирования для тепловой фотоактивации точки и расширить арсенал существующих методов лазерной рефлексотерапии. Предложен оптический дефлектор для медицинской промышленности, позволяющий осуществлять объемное сканирование лазерного луча и облегчить работу медицинского персонала кабинетов лазерной терапии и рефлексотерапии.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

39
Рассматривается устойчивая апериодическая непрерывная система, матрица состояния которой обладает вещественным спектром собственных чисел, по модулю меньших единицы. Как показано в последних работах авторов, при таких значениях модуля и кратной структуре собственных чисел в траекториях свободного движения системы по норме вектора состояния обнаруживаются существенные выбросы, сменяющиеся монотонным движением к состоянию покоя. С целью минимизации величины выброса предлагается модифицировать структуру собственных чисел, преобразовав ее в простую. В результате модификации образуется следующая структура: исходное собственное число и сдвинутые по вещественной оси плоскости комплексных чисел влево на фиксированную величину относительно соседнего собственные числа, причем каждое из них имеет единичную кратность. Такая модификация позволяет сформировать оценку степени близости простой структуры собственных чисел к кратной. Более того, она может быть задана в относительной форме, при которой гарантируется снижение указанных выше выбросов траектории свободного движения. Положения статьи иллюстрируются результатами компьютерных экспериментов. Результаты компьютерного моделирования подтверждают справедливость основных положений статьи.
47
Рассмотрены вопросы защиты мультиагентных робототехнических систем от атак со стороны роботов-диверсантов. Проведен анализ функционирования таких систем с децентрализованным управлением. Дано определение вредоносного информационного воздействия (атаки) со стороны робота-диверсанта, осуществляемого в отношении мультиагентной системы роботов. Рассмотрен класс атак, использующих перехват сообщений, формирование и передачу коллективу роботов дезинформации, а также осуществляющих иные действия, эксплуатирующие уязвимости мультиагентных алгоритмов, и не имеющих явно идентифицируемых признаков вторжения роботов-диверсантов. Проведен анализ существующих моделей информационной безопасности мультиагентных информационных систем, основанных на принципах централизованного и децентрализованного управления информационной безопасности. Разработана модель информационной безопасности, в которой роботы-агенты вырабатывают уровни доверия друг к другу на основе анализа событий, происходящих в системе. Идея доверительной модели состоит в анализе каждым роботом переданной информации и выполненных действий других членов коллектива и сопоставлении выбранного ими на k-м шаге итерации решения с целевой функцией коллектива. Отличительной особенностью доверительной модели по сравнению с ближайшим аналогом – Buddy Security Model, где осуществляется обмен между агентами токенами безопасности – является учет фактора времени, в течение которого агенты должны своими действиями «доказать» членам коллектива свою полезность в достижении общей цели. Предложены варианты реализации этой модели и способы оценки уровней доверия агентов, исходя из принятой в коллективе политики безопасности.
53
Рассматриваются особенности обеспечения информационной безопасности мультиагентной робототехнической системы с самоорганизующимся поведением. Акцентируется внимание на возможности реализации угроз информационной безопасности на уровне организации взаимодействия между отдельными элементами. Вводятся определения понятий информационного воздействия и дезорганизации мультиагентной робототехнической системы. Для оценки безопасного состояния системы в качестве критерия выбрана вероятность наличия в момент времени dt требуемого для выполнения поставленной задачи количества элементов мультиагентной робототехнической системы, не подвергающихся информационному воздействию. Предложен метод оценки вероятности нахождения мультиагентной робототехнической системы в безопасном состоянии. В основе метода лежит математический аппарат марковских цепей. Отличие метода состоит в использовании функциональных зависимостей интенсивности информационного воздействия. Метод позволяет выявить требуемые характеристики отдельных элементов на ранних стадиях разработки. Приводятся графики вероятности безопасного состояния системы группы элементов при различных интенсивностях, характеризующих программно-аппаратные возможности выхода элемента из небезопасного состояния, и интенсивностях информационного воздействия со стороны злоумышленника. Моделируется поведения системы в динамике при различных функциональных зависимостях интенсивностей информационного воздействия. Рассматривается пример нахождения группировки из четырех однотипных элементов в безопасном состоянии при атаке тремя дезорганизующими элементами. Раскрывается методика получения числовых значений интенсивностей информационного воздействия в последовательные моменты времени.
60
Рассматривается задача динамического сопровождения внешнего подвижного объекта. Такие задачи возникают при построении систем слежения беспилотными летательными аппаратами за наземными подвижными объектами. В качестве модели объекта управления рассматривается динамическая модель твердого тела в трехмерном пространстве. Подвижный внешний объект задается кинематической моделью твердого тела на плоскости. Гладкая траектория, вдоль который должен осуществлять движение объект управления, представляется в виде неявно заданной кривой в связанной с внешним подвижным объектом системе координат. Дополнительно задается желаемая высота движения. Для построения алгоритма управления рассматривается относительная динамика объекта управления и внешнего подвижного объекта и применяются методы дифференциально-геометрического преобразования исходной модели к задачно-ориентированной системе координат, формулирующей исходную задачу в терминах продольного движения и двух ортогональных отклонений, для которой строятся пропорционально-дифференциальные алгоритмы управления с прямой компенсацией нелинейностей. Основные результаты представлены задачно-ориентированной моделью пространственного движения и соответствующими нелинейными алгоритмами управления. Для иллюстрации работоспособности предлагаемого метода приводится пример моделирования движения твердого тела вдоль круговой траектории, заданной относительно прямолинейно движущегося внешнего объекта.
65
Представлена разработка системы траекторного управления мобильным роботом с роликонесущими колесами. Данный тип роботов позволяет осуществлять раздельное управление каждой степенью свободы за счет специальной конструкции колес, что существенно облегчает решение задачи управления пространственным положением и позволяет сосредоточиться непосредственно на разработке алгоритмов. Синтез закона управления осуществляется на базе кинематической модели. Желаемая траектория, вдоль которой необходимо реализовать движение, задается как гладкая неявная функция в неподвижной системе координат. Синтез управления осуществляется с помощью дифференциально-геометрического метода посредством нелинейного преобразования исходной кинематической модели к задачно-ориентированной форме, описывающей продольное движение вдоль траектории и ортогональное отклонение. Для преобразованной модели синтезируются пропорциональные регуляторы с прямой компенсацией нелинейных составляющих. Основные результаты представлены нелинейными алгоритмами управления и экспериментальными данными. Для иллюстрации работоспособности подхода выполнена апробация в виде реализации данной системы для робота Robotinо от фирмы Festo Didactics. В качестве желаемых траекторий движений рассматриваются прямолинейный отрезок и окружность, комбинацией которых можно реализовать большинство практических задач управления мобильными роботами.
72
Многоагентные системы в настоящее время находят все более широкое применение в различных областях техники, таких как энергетика, транспорт, робототехника, авиация и др. При организации многоагентных систем внимание обращается на два главных аспекта: непосредственно на динамику самих агентов и на способы их взаимодействия, которые определяются структурой информационных связей между агентами. Таким образом, выделяются ключевые точки исследования многоагентных систем – динамика индивидуальных агентов и вид графа информационных связей. Динамика формации в целом определяется совокупностью свойств агентов и графа связей. Рассматривается связь между динамикой агентов и матрицей Лапласа, используемой для задания графа связей. Для исследования используются результаты известной работы А. Факса и Р. Мюррея, 2004 г. Представлены иллюстративный пример, а также прикладная задача исследования динамики формации, состоящей из группы квадрокоптеров. Информационные связи между агентами заданы в работе некоторыми типовыми графами. Дана интерпретация условий устойчивости, предложен метод корректирования законов управления на их основе. В качестве примера применения методики взято движение группы квадрокоптеров по высоте полета. Проведено моделирование, результаты которого демонстрируют основные зависимости между видом графа (и, как следствие, собственными числами лапласиана, который этот граф описывает) и наличием устойчивости. Моделирование и рассмотрение связи кривой Найквиста с ключевыми точками позволяет судить об устойчивости системы и предпринять меры по изменению законов управления. На основе данного метода исследования получаются необходимые условия устойчивости формации. Результат работы позволяет формировать локальные законы управления агентами, обеспечивающие устойчивость движения группы при выбранной структуре информационных связей. С учетом вида кривой Найквиста и расположения ближайших точек, которые она не должна охватывать, можно корректировать локальный закон управления с помощью классических методов расчета для обеспечения требуемых запасов устойчивости.
79
Рассматривается задача управления двухзвенным роботом-манипулятором в условиях возмущающих воздействий и неточно известных параметров системы. На основе метода последовательного компенсатора предложен метод адаптивного независимого управления двухзвенным роботом-манипулятором. Данный метод предполагает адаптивную настройку коэффициентов последовательного компенсатора, а его независимость заключается в управлении каждым звеном манипулятора отдельно от других. При этом нелинейное влияние других звеньев рассматривается как некоторое ограниченное внешнее возмущение в канале управления. Уравнение динамики манипулятора получено при помощи метода Эйлера–Лагранжа, при этом также учитывалось влияние динамики самих двигателей манипулятора. Поскольку предложенный метод обладает простотой инженерной реализации по сравнению с другими адаптивными методами управления манипуляторами, то его использование на реальных объектах в промышленности представляется привлекательным. В ходе моделирования рассматриваемого метода было допущено, что возмущающие воздействия имеют вид смещенного гармонического сигнала. Проведено моделирование для системы двухзвенного манипулятора с предложенным регулятором. Результаты моделирования подтверждают эффективность метода в условиях внешних и внутренних возмущений. Проведено сравнение рассматриваемого метода с управлением ПД-регулятором. В ходе моделирования было продемонстрировано, что предложенный подход обеспечивает более низкое значение ошибки выходного сигнала, чем управление манипулятором с помощью ПД-регулятора.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

86
Методами оптической и сканирующей зондовой микроскопии изучена микро- и наноструктура лепестков и цветков роз семейства розовых, обладающая явлением сверхгидрофобности, носящим название «эффект лотоса». На поверхности лепестков розы обнаружена квазиупорядоченная корругированная структура, представляющая собой ансамбль пиков сглаженной формы, подобных структуре листьев лотоса. Обнаружено сохранение структуры при обезвоживании лепестка розы (5 дней) путем высушивания на воздухе при нормальных условиях, заметна разница в плотности расположения и форме пиков, которые в случае обезвоженного лепестка розы имели более сглаженную форму. Так, характерное расстояние между пиками структуры для нативного лепестка розы составило 25–30 мкм, средняя высота пика – 8 мкм, ширина пика на полувысоте – около 15 мкм, аппроксимируемая сферой вершина пика имела радиус 2–3 мкм, угол наклона касательной поверхности к оси пика составил около 38–42º. Для обезвоженного лепестка розы характерное расстояние между пиками снижается до 20–25 мкм, средняя высота пика составила 8 мкм, ширина пика на полувысоте – около 18 мкм, аппроксимируемая сферой вершина пика имела радиус около 5–6 мкм, угол наклона касательной поверхности к оси пика составил около 40–50º. На высушенном лепестке была изучена тонкая наноструктура отдельной возвышенности, которая состоит из продольных полос высотой 150–300 нм и шириной 2–3 мкм. При визуализации листьев стебля розы обнаружена ячеистая структура с микропорами и нанометровыми канальцами на поверхности. Произведен анализ шероховатости поверхности на разных участках исследуемых объектов. Шероховатость отдельного пика составила около 650 нм для живого лепестка розы, около 300 нм – для высушенного лепестка розы, шероховатость листа стебля розы составила около 65–70 нм при размерах отсканированных областей 10×10 мкм. Исследования проводились на встроенном оптическом модуле Optem микроскопа Ntegra Aura (NT-MDT, Россия) и сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator LE (NT-SPb, Россия).

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

93
Клеточные автоматы широко используются для моделирования дискретных систем. Однако создание управляющих клеточных автоматов в большинстве случаев производится вручную, эмпирическим образом или методом полного перебора. В ряде работ описаны методики автоматического получения конечных автоматов и клеточных автоматов при помощи генетического программирования. Однако в этих работах используются достаточно простые генетические операторы, которые никак не учитывают текущие тестовые наборы и состояние популяции, что достаточно сильно сказывается на производительности и сходимости этих методов. В данной работе рассматривается оператор классической мутации в применении к процессу генерации клеточных автоматов и оператор направленной мутации, разработанный для устранения указанных выше недостатков. Оба описанных оператора применяются в адаптивном генетическом алгоритме. Оператор направленной мутации производит анализ текущей хромосомы, тестового набора и на основе полученной информации предлагает оптимальный вариант мутации особи. Описаны основные его отличия и преимущества по сравнению со стандартным оператором мутации. Произведена апробация на нескольких обучающих примерах, приведены данные о результирующей производительности генетического алгоритма.
ЭКСПРЕСС-МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ШТРИХ-КОДА ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ ЛИЦ Кухарев Г. А., Матвеев Ю. Н., Щеголева Н. Л.
99
Предложен метод формирования линейного штрих-кода стандартного типа по изображениям лиц. Метод основан на использовании гистограммы яркости исходного изображения, ее усреднении на ограниченном числе интервалов яркости, последующем квантовании в диапазоне десятичных цифр от 0 до 9 и табличном преобразовании в окончательный штрих-код. Предложенное решение не требует больших вычислительных затрат, а также использования специализированных пакетов программ по обработке изображений, что создает условия для формирования штрихкодов в рамках мобильных систем, а предложенный метод можно отнести к классу экспресс-методов. Тестирование выполнено на базах «Faces94» и «CUHK Face Sketch FERET Database». Как следует из результатов тестирования, предложенный метод предлагает новое решение для практики использования в реальных условиях – динамики изменения параметров изображений лиц. Показано, что результат остается стабильным при изменении локальных размеров лиц, наклона в плоскости XY, изменения ракурса и зеркального поворота вокруг вертикальной оси, а также при изменениях мимики лица и наличии на нем теней от локального освещения. Предложенный способ формирования стандартного штрих-кода строится непосредственно по исходному изображению лица и, таким образом, уникально представляет конкретную личность.
107
Рассматривается задача аппроксимации вероятностных распределений случайных величин, определенных в положительной области действительных чисел и имеющих отличный от единицы коэффициент вариации. При использовании в качестве моделей компьютерных сетей систем массового обслуживания расчет характеристик обычно выполняется на уровне математического ожидания и дисперсии. В то же время одной из основных характеристик качества при передаче мультимедийных данных в компьютерных сетях является джиттер задержки, для расчета которого необходимо знать функцию распределения времени задержки пакетов. Показано, что при изменении третьего момента распределения задержки пакетов результаты расчета джиттера могут отличаться на десятки и сотни процентов при одних и тех же значениях двух первых моментов – математического ожидания и коэффициента вариации задержки. Это означает, что аппроксимация распределения задержки для расчета джиттера должна выполняться с учетом третьего момента распределения времени задержки. Для случайных величин с коэффициентами вариации больше единицы предлагается итерационный алгоритм аппроксимации двухфазным гиперэкспоненциальным распределением с учетом трех моментов аппроксимируемого распределения. Показано, что для случайных величин с коэффициентами вариации меньше единицы влияние третьего момента распределения незначительно, и для аппроксимации таких распределений целесообразно использовать распределение Эрланга по двум первым моментам. Такой подход позволяет получить верхние оценки соответствующих характеристик, в частности, верхнюю оценку джиттера задержки.
111
Усложнение систем менеджмента информационной безопасности приводит к необходимости совершенствования научно-методического аппарата аудита данных систем. Планирование является важной и определяющей частью аудита систем менеджмента информационной безопасности. Эффективность аудита будет определяться отношением достигнутых показателей качества к затраченным ресурсам. Таким образом, возникает важная и актуальная задача разработки методов и методик оптимизации планирования аудита, позволяющая повысить его эффективность. Предложенная методика позволяет на основе модели динамики показателя качества системы менеджмента информационной безопасности осуществлять оптимальное планирование распределения временных и материальных ресурсов по этапам аудита. Особенностью подхода, предлагаемого авторами, является использование не только априорных, но и апостериорных данных при начальном планировании аудита, а также для корректировки плана после каждого мероприятия аудита. Это позволяет оптимизировать использование ресурса аудита в соответствии с выбранными критериями. Приведены примеры применения методики при планировании аудита системы менеджмента информационной безопасности организации. По результатам проведенного вычислительного эксперимента на основе предложенной методики возможно снижение временных (стоимостных) затрат аудита на 10–15% или соответственно повышение качества получаемых оценок за счет рационального распределения ресурса аудита по отношению к общеизвестным методикам планирования аудита.
118
Обоснована целесообразность использования речевого сигнала пользователя компьютерных систем в процессе его аутентификации. Рассматривается научная задача повышения отношения сигнал/шум речевого сигнала пользователя системы аутентификации. Объект исследования – процесс ввода и выделения речевого сигнала пользователя системы аутентификации в компьютерных системах и сетях. Исследуются методы и средства ввода и выделения речевого сигнала на фоне внешних помеховых сигналов. Предложены пути повышения качества речевого сигнала пользователя в системах голосовой аутентификации. Поскольку современные компьютерные средства, в том числе и мобильные, оснащены двухканальной звуковой картой, предложено при вводе речевого сигнала системы аутентификации использовать два микрофона. При этом решена задача формирования одного лепестка диаграммы направленности микрофонной решетки в требуемой области регистрации речевого сигнала (от 100 Гц до 8 кГц). Использование на-правленных свойств предложенной микрофонной решетки позволяет в 2–3 раза ослабить воздействие внешних по-меховых сигналов в диапазоне частот от 4 до 8 кГц. Исследованы возможности применения пространственно-временной обработки регистрируемых сигналов при использовании постоянных и адаптивных весовых коэффициентов. Представлены результаты имитационного моделирования предложенной системы ввода и выделения сигналов в процессе цифровой обработки узкополосных сигналов. Предложенные решения позволяют повысить значение отно-шения сигнал/шум регистрируемых полезных сигналов до 10–20 дБ при воздействии внешних помеховых сигналов в диапазоне частот от 4 до 8 кГц. Полученные результаты могут быть полезны специалистам, выполняющим исследо-вания в области распознавания речи, а также различения дикторов.
СЕТЕВЫЕ СЕРВИСЫ ОПТИКО-ЦИФРОВОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ТЕЛЕМЕДИЦИНСКОГО КОМПЛЕКСА Копылов Д. С., Устинов С. Н., Скшидлевский А. А., Лямин А. В.
124
Представлены результаты разработки сетевых сервисов оптико-цифрового диагностического телемедицинского комплекса, предназначенного для лабораторных и клинических исследований пациентов в медицинских учреждениях. Сетевые сервисы включают в себя клиентское приложение к базе данных диагностических исследований, вебслужбу, веб-интерфейс, видеосервер и сервер обработки микроизображений. Состав и организация взаимодействия указанных сервисов позволяют объединить набор программного обеспечения для передачи через Интернет обезличенных медицинских данных и управления оптико-электронными приборами, входящими в состав комплекса. Комплекс состоит из трех систем – микровизионной, эндоскопической и сетевой. Микровизионная система включает в себя автоматизированный цифровой микроскоп с двумя высокочувствительными видеокамерами и возможностью удаленного управления его функциями через Интернет. Видеоэндоскопическая система позволяет транслировать видеоизображения удаленным пользователям как непосредственно в процессе диагностических исследований, так и в режиме off-line после их завершения. Сетевая система является интегрирующим ядром комплекса, на котором функционируют сетевые сервисы и прикладное программное обеспечение, предназначенное для архивации, хранения и обеспечения доступа к базе данных диагностических исследований. Разработан и апробирован на функциональную устойчивость протокол передачи состояний, команд управления и видеопотоков с выходов автоматизированного цифрового микроскопа и видеоэндоскопа с возможностью работы в веб-браузерах на современных мобильных устройствах без применения дополнительного программного обеспечения.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

130
Тепловое подобие объектов различной конфигурации определяется равенством их стационарных среднеповерхностных температур в тени Земли, что эквивалентно равенству их эффективных коэффициентов облученности собственным тепловым излучением Земли. Среди типовых конфигураций выбраны конус, цилиндр и сфера. В отличие от двух последних фигур, расчет коэффициента облученности конического объекта является наиболее сложным и содержит ряд неопределенностей. Изложена методика расчета интегральных и эффективных коэффициентов облученности космического объекта конической формы, которая типична для фрагментов космических аппаратов. Интегральные коэффициенты облученности определяют средний тепловой баланс на боковой поверхности цилиндра и конуса, а также полный энергетический баланс на поверхности сферы. Эффективные коэффициенты облученности определяют полный падающий удельный поток излучения Земли на всю поверхность цилиндрического или конического объекта с учетом их оснований. По данным об эффективных коэффициентах облученности определяются средние стационарные температуры космических объектов в тени Земли, а также и на подсвеченном Солнцем участке траектории с учетом двух дополнительных компонент энергетического баланса – прямого и отраженного Землей солнечного излучения. Исследования проводились в диапазоне изменения высоты орбиты от 200 до 40000 км в зависимости от угла наклона оси цилиндра и конуса относительно линии зенит–надир. Условия подобия цилиндра и конуса определены при равных величинах отношения высоты фигуры к диаметру основания.
137
Известно, что на точность показаний волоконно-оптического гироскопа большое влияние оказывают температурные возмущения и тепловой режим. В области достижения навигационных точностей тепловые возмущения – одна из основных проблем на настоящее время. Рассмотрение существующих методов снижения температурных влияний на точность показаний бесплатформенной инерциальной навигационной системы на основе волоконно-оптических гироскопов показало, что одних лишь конструктивных и компенсационных методов недостаточно для получения необходимых точностей, и, следовательно, требуется термостабилизация. Предложена реверсивная система термостабилизации, основными исполнительными элементами которой являются термоэлектрические модули, теплоотдача от которых обеспечивается с помощью радиаторов на рабочих поверхностях модулей. Описан и рассмотрен данный вариант обеспечения термостабилизации, выбраны термоэлектрические модули и датчики температуры, рассчитаны геометрические параметры радиаторов для интенсификации теплообмена. Выбраны вентиляторы, обеспечивающие необходимую циркуляцию воздуха в приборе, рассчитана толщина тепловой изоляции. В современном программном обеспечении Autodesk Simulation CFD проведены расчеты тепловых режимов навигационной системы с учетом термостабилизации. Сравнение результатов текущих и ранее выполненных исследований и расчетов показало существенное снижение градиентов температур по поверхностям волоконно-оптических датчиков и бόльшую равномерность температурного поля в приборе в целом. По итогам работы сделаны выводы об эффективности использования метода в целях улучшения точностных характеристик навигационной системы. Обеспечение термостатирования внутреннего объема навигационной системы на волоконно-оптических гироскопах является обоснованным, при совместном использовании методов алгоритмической компенсации и термостабилизации ожидается достижение требуемых точностей.
143
Предложено использование моноблочных излучателей для расплавления синтетических жирных кислот, используемых в процессе производства синтетических моющих средств в жидкой фазе и поставляемых на заводы в твердом виде. В таких излучателях все лампы размещаются в общем корпусе. Облучение твердой фазы в направлении оси проплавления канала осуществляется через выходное кварцевое окно. Это исключает возможность замедления или остановки процесса при перегреве одной из ламп. В качестве источников светового излучения использованы галогенные лампы, каждая из которых помещена в индивидуальный прозрачный корпус. Комбинированное воздействие подвода тепловой мощности и светового излучения должно обеспечить значительное повышение скорости проплавления канала в твердой фазе синтетической жирной кислоты. Приведены результаты оценок достижимых скоростей проплавления канала в твердой фазе синтетических жирных кислот. При восьми галогенных лампах мощностью 100 Вт проплавление канала глубиной 1 м может быть достигнуто меньше чем за час. Для исключения возможности самовоспламенения жидкой фазы синтетической жирной кислоты предлагается осуществлять регулировку светимости излучателя и температуры его поверхности путем подбора количества ламп в полости моноблочного излучателя. При использовании в качестве корпуса моноблочного излучателя цилиндрической кварцевой трубы обеспечивается увеличение диаметра проплавляемого канала за счет бокового воздействия светового излучения на твердую и жидкую фазу.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

148
Рассмотрены принципы построения многоагентной системы для прогнозирования и расчета параметров надежности разнородных, многономенклатурных электронных модулей. Так как однопараметрические модели распределения отказов менее точны и не учитывают специфику отказов, происходящих в элементной базе модулей, то целью работы являются использование двухпараметрических моделей распределения интенсивности отказов во времени и определение параметров моделей на основе результатов испытаний аппаратуры на воздействующие факторы. Прогнозирование параметров надежности модулей осуществляется с помощью множества агентов, объединенных в систему. В нее входят разнородные агенты, осуществляющие информационный обмен с пользователем. Представлена разработанная структура системы, описана работа отдельных подсистем. Имеется возможность добавлять новые агенты-методы прогнозирования, которые образуют библиотеку. Результаты прогнозирования зависят от выбранной методики расчета показателей надежности на конкретном предприятии, поэтому в разработанной системе прогнозирования используются как стандартные распределения параметров надежности, так и полученные методом группового учета аргументов. Выбор моделей для прогнозирования осуществляется исходя из рассчитанных значений среднеквадратического отклонения. Вывод результатов работы осуществляется в графическом виде. Проведенное тестирование полученных данных при испытаниях электронного модуля позволяет подтвердить правильность и эффективность разработанного подхода. Разработанная система позволит сократить время испытаний и обработки результатов испытаний сложных электронных модулей, особенно изготавливаемых впервые, на предприятиях электронной промышленности.
155
Одной из проблем внедрения систем защиты информации является выбор оптимального многокритериального варианта, учитывающего стохастический характер взаимодействия параметров и использование нечисловой, неполной и неточной информации. Рассмотрено применение модифицированного метода рандомизированных сводных показателей. Предложена модель влияния информационной безопасности на изменение конкурентоспособности предприятия. Цель работы – определение количественного изменения конкурентоспособности предприятия после внедрения оптимизационного варианта системы защиты информации. Приведен пример использования модели на конкретном предприятии. Проведено сравнение прогнозных и реальных величин. Подтверждена обоснованность используемого критерия при выборе вариантов системы защиты информации.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

161
Рассматривается архитектура универсальной системы удаленного управления робототехническими объектами через глобальную сеть Интернет. Предполагается, что объекты управления находятся на значительном расстоянии от их задающего устройства либо от конечных пользователей. Приводится обзор исследований, посвященных тематике удаленного управления техническими объектами. Предложена структурная схема архитектуры, демонстрирующая применение рассматриваемой системы на практике. Рассмотрено серверное программное обеспечение, позволяющее работать с техническими объектами, подключенными к серверу с последовательным портом, и позволяющее организовать устойчивое соединение между объектом управления и конечным пользователем. Предложенная архитектура успешно апробирована на мобильных роботах Parallax Boe-Bot и Lego Mindstorms NXT. Приведены экспериментальные данные временных задержек, демонстрирующие эффективность рассмотренной архитектуры.
164
Разработана система видеовещания при управлении мобильными роботами через Интернет. Проведен краткий обзор проблем, возникающих при вещании видеопотока в режиме реального времени, и их решений. Рассмотрены доступные и универсальные решения технического зрения. Приведен способ покадровой ретрансляции видеопотока неограниченному количеству конечных пользователей. Определены оптимальные показатели сетевого оборудования для конечного количества видеокамер. Проведена апробация системы на пяти IP видеокамерах различных производителей. Средняя временная задержка при вещании в формате MJPEG по локальной сети составила 200 мс и 500 мс при вещании через сеть Интернет.
167
Рассматриваются вопросы создания и перспективы использования виртуальных когнитивных центров как интеллектуальных систем для информационной поддержки межведомственной деятельности в сфере управления комплексной безопасностью развития региона. Разработан исследовательский прототип виртуального когнитивного центра управления региональной безопасностью в кризисных ситуациях, реализованный в виде гибридного облачного сервиса на базе IaaS-архитектуры с применением технологий программных мобильных агентов и веб-сервисов. Виртуальный когнитивный центр представляет собой программный тренажерно-моделирующий комплекс и предназначен для решения на основе распределенного моделирования следующих задач: стратегическое планирование и прогнозирование рискоустойчивого развития региональных социально-экономических систем, синтез спецификаций взаимодействия субъектов управления для обеспечения различных видов региональной безопасности в кризисных ситуациях на этапе планирования совместных антикризисных мероприятий.
171
Выявление нарушения осанки человека на ранних стадиях является важной задачей, позволяющей скорректировать осанку до начала развития заболевания с помощью только физических упражнений и без применения лекарств. Существующие методы мониторинга осанки человека не отвечают современным требованиям по скорости сбора и обработки информации. Оценка нарушений осанки человека в реальном масштабе времени в статическом и динамическом режимах возможна путем использования лазерного сканера. В работе предложен метод трехмерного лазерного сканирования для определения осанки человека. Разработанный на его основе прибор позволяет производить обследование в реальном масштабе времени в статическом и динамическом режимах. Особенностью лазерного сканера является наличие в нем автоматизированного сервопривода с возможностью поворотов измерительной головки в двух плоскостях (вертикальной и горизонтальной) с плотностью измерения до десятков точек на один квадратный сантиметр.
174
Представлено концептуальное расширение функционального описания веб-сервисов корпоративных информационно-вычислительных систем. Приведена трехуровневая модель представления запроса к веб-сервисам на пространстве имен пользователей информационно-вычислительных систем, пространстве имен формальных операций и пространстве имен реальных операций веб-сервисов. Работа направлена на развитие исследований в области формирования плана выполнения запросов реляционных систем управления базами данных, который применительно к веб-сервисам назван планом вызова веб-сервисов. Основными результатами работы являются концептуальное расширение функционального описания веб-сервисов и трехуровневая модель представления запросов к веб-сервисам.
177
Для систем реального времени предложена оценка вероятности своевременного обслуживания запросов за время, меньшее предельной допустимой величины, в двухуровневом кластере, в котором каждый поступающий запрос обслуживается сначала одним из узлов нижнего, а затем одним из узлов верхнего уровня. Для определения вероятности того, что время пребывания запросов в двухуровневой кластерной системе меньше допустимой величины, это время разбивается на равные интервалы. Определяются вероятности непревышения задержки на первом уровне различного числа интервалов, вычисляя при этом вероятности того, что задержка на втором уровне не превысит оставшийся запас допустимого времени пребывания запросов в системе. Предложенная оценка может использоваться при комплексной оценке надежности вычислительных процессов двухуровневых систем кластерной архитектуры, работающих в реальном времени.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика