Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА В ЕВРОПЕ: ТРЕНДЫ 2003–2013 Стафеев С. К., Лившиц И. Л., Ольшевская А. В., Жогина В. А., Денисова Е. А., Маркина Г. Л., Урбач Х. П.
1
Представлен ретроспективный анализ структуры европейских научно-технологических платформ – фотоника, наноматериалы и фотовольтаика – с точки зрения их структуры, взаимопроникновения тематик и динамики изменений, произошедших за последние десять лет. Анализируется геоинформационная составляющая европейского оптического образования. Описаны критерии исследования и онтологические модели, позволяющие выявить корреляции между развитием научных исследований и индустриальных применений, с одной стороны, и динамикой образовательных программ по оптике, фотонике и оптоинформатике, с другой стороны. Представлены данные о количественных и качественных изменениях в образовательных программах и присваиваемых академических степенях по соответствующим направлениям подготовки. Материал проиллюстрирован фрагментами ассоциативной карты «Современные направления исследований в области оптики, фотоники и оптоинформатики» и концептуальной карты «Европейские научно-технологические платформы». На более низком онтологическом уровне приведено облако тегов для двух конкретных предметных областей «Lasers» и «Optics Communications». Сформулированы конвергентные и дивергентные тренды, характерные для последнего десятилетия развития оптики, фотоники и оптоинформатики в Европе. К основным трендам можно отнести следующее: направления и темпы развития рынка коррелируют с геоинформационными данными по европейским научным и образовательным тенденциям; телекоммуникации и информационные технологии являются доминирующими сферами приложения знаний и компетенций европейских специалистов по оптике, фотонике и оптоинформатике; онтологическая структура баз знаний в области биофотоники, полимерной оптики, фотонных кристаллов и «умных» оптических метаматериалов становится все более разветвленной; ряд концептуальных онтологических узлов в оптике, фотонике и оптоинформатике постепенно теряет свою актуальность, на смену им приходят новые концепты или целые онтологические ветви.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

12
Исследуется один из аспектов фундаментальной задачи взаимодействия лазерного излучения с веществом – пространственное перераспределение атомных населенностей под действием полей нескольких бегущих волн. Впервые показана возможность двумерной пространственной локализации атомных населенностей под действием поля только бегущих волн в «tripod»-конфигурации квантовых состояний. Три бегущие волны, которые распространяются в одной плоскости под углами 120º друг к другу, формируют в этой плоскости систему стоячих волн, под действием которой и происходит локализация атомных населенностей. При этом степень локализации населенностей, в принципе, может составлять сотые доли длины волны падающего оптического излучения. Показано, что необходимым условием зависимости населенностей от пространственных координат в плоскости XY является возбуждение центрального перехода «tripod»-системы полем разнонаправленных линейно поляризованных бегущих волн, а возникающие при этом двумерные зависимости могут иметь сложные структуры, такие как, например, «двойные кратеры».
18
Рассматривается модификация рекуррентного алгоритма обработки дискретной последовательности отсчетов интерферометрического сигнала, который основан на предсказании последующего отсчета сигнала при задании набора («облака») значений вектора параметров сигнала методом Монте-Карло, сравнении с измеренным значением сигнала и использованием полученной невязки для уточнения значений параметров сигнала на каждом шаге дискретизации. В предлагаемом модифицированном алгоритме использована концепция мультиоблачной модели предсказания, когда формируется набор нормально распределенных облаков с математическими ожиданиями, выбранными на основе критерия минимума невязки предсказания и наблюдения. Проведена экспериментальная апробация предлагаемого метода на примере оценивания начальной фазы полос в интерферометрии фазового сдвига, при этом дисперсия оценки сигнала, реконструированного по оцененной начальной фазе, относительно исходного сигнала не превышает 2% от максимального значения сигнала. Показано, что использование предложенного алгоритма позволяет избежать 2π-неоднозначности и обеспечить устойчивое восстановление фазы интерференционной картины сложного вида без использования априорной информации о распределении фазы интерференционных полос. Использование предлагаемого алгоритма применительно к оцениванию параметров интерферометрических сигналов позволяет повысить устойчивость фильтра к влиянию случайных помех и понизить требования к точности априорного задания параметров фильтрации по сравнению с обычной (однооблачной) реализацией последовательного метода Монте-Карло.
23
Показана возможность применения последовательного метода Монте-Карло для обработки данных в корреляционной широкопольной оптической когерентной томографии для исследования биологических объектов. Предлагаемый алгоритм основан на статистической аппроксимации оцениваемых параметров взамен использования нелинейных функциональных преобразований. Приведены экспериментальные результаты обработки данных при исследованиях с помощью широкопольного оптического когерентного томографа, построенного на базе микроинтерферометра Линника, с последующим оцениванием огибающих сигналов последовательным методом Монте-Карло. Установлено, что результаты обработки содержат меньшее количество артефактов, обусловленных неустойчивостью работы алгоритма, по сравнению с результатами, полученными ранее с использованием метода расширенной фильтрации Калмана. Обработка данных широкопольного оптического когерентного томографа на основе последовательного метода Монте-Карло позволила наблюдать микроструктуру объекта с разрешением примерно 1 мкм. Экспериментальная апробация последовательного метода Монте-Карло проведена на примере анализа сигналов, полученных при исследовании переднего крыла комара-пискуна Culex pipiens, поскольку этот объект имеет малые размеры, малую толщину и сложную микроструктуру и поэтому является удобным тестовым объектом. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с результатами наблюдений методами классической микроскопии и представляют интерес для специалистов в области энтомологии и биоинженерии.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

МЕТОД АВТОМАТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Коротаев В. В., Краснящих А. В., Ярышев С. Н., Нгуен Х. В.
29
Предлагается новый метод автоматической калибровки стереоскопической системы, использующий тестовый объект. Сущность метода состоит в регистрации с помощью двух камер стереоскопического изображения специально подобранного эталонного объекта в виде шахматной доски с дополнительным полем – рамкой вокруг шахматной доски. Алгоритм, реализующий данный метод, включает семь этапов: регистрация набора изображений тест-объекта; пороговая фильтрация изображения; распознавание тест-объекта по размерам и форме; удаление фона; определение положения четырех крайних точек; калибровка первой и второй камер; калибровка системы в целом. При этом процесс калибровки первой и второй камер и системы выполняется с помощью программы, разработанной Jean-Yves Bouguet. Проведено математическое и физическое моделирование с использованием двух измерительных камер и программного пакета MATLAB. Путем моделирования проведено сравнительное исследование погрешности определения координат тестовых точек в ручном и автоматическом режиме, а также погрешности калибровки в зависимости от количества изображений, полученных стереопарой.
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СНИМКОВ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Алтухов А. И., Коршунов Д. С., Шабаков Е. И.
35
Представлен подход к повышению качества снимков космических объектов, получаемых бортовой аппаратурой наблюдения космических средств орбитальной инспекции в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн. Подход базируется на совместном учете скорости движения космического аппарата наблюдения и наблюдаемого космического объекта в околоземном космическом пространстве при выборе времени экспонирования фотоприемного устройства, который осуществляется с использованием светосигнальной характеристики, определяющей оптимальную величину зарядового пакета, формируемого в приборе с зарядовой связью при его облучении. Это позволяет выбрать параметры работы бортовой аппаратуры наблюдения, обеспечивающие получение космических снимков, пригодных для интерпретации. В качестве показателя качества космических снимков используется линейное разрешение, дающее полное представление о геометрических свойствах объекта на снимке. Моделирование сценариев наблюдения космического объекта спутником-инспектором показало возможность повышения линейного разрешения космических снимков на 10–20% при движении космического аппарата по орбитам с углом некомпланарности менее 6º и на 40–50% при движении по орбитам с углом некомпланарности 45º. Предложенный подход к повышению качества снимков обеспечивает получение резких и контрастных изображений космических объектов оптико-электронными средствами дистанционного зондирования космического базирования. Использование таких снимков позволяет своевременно обнаружить неисправности космической техники, полученные в результате ее эксплуатации в околоземном космическом пространстве. Также предложенный подход может найти применение на стадии проектирования космических систем оптико-электронного наблюдения в моделях, используемых для оценивания возможностей информационного тракта съемочной аппаратуры.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

41
Рассмотрена задача построения робастного закона управления по выходу для системы со степенной нелинейностью. Показано, что с использованием записи в отклонениях данная задача может быть сведена к задаче стабилизации нулевого положения в системе с полиномиальной нелинейностью. В качестве практического применения рассматривается задача регулирования температуры в быстрых термических процессах, характерных для газофазной эпитаксии. Современные промышленные установки используют сложные системы контроля температуры и нагрева, которые оказываются неприменимыми для исследовательского лабораторного оборудования. Ограниченное число сенсоров и накладываемые на систему технические ограничения делают актуальной разработку малоразмерных регуляторов, использующих измерения только выходной величины. Решение задачи получено с использованием метода последовательного компенсатора. В работе формулируется ограничение на нелинейность, представляющее собой объединение секторной и степенной нелинейностей. Показано, что полиномиальная нелинейность соответствует введенному ограничению. С использованием аппарата функций Ляпунова доказывается асимптотическая устойчивость замкнутой системы для указанного типа нелинейности, что усиливает ранее известные результаты. Численное моделирование процесса газофазной эпитаксии показало, что с применением предложенного метода удается обеспечить нулевое математическое ожидание ошибки слежения и среднеквадратичную ошибку температуры, не превышающую 1 К.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

48
Обоснована актуальность термоэлектрического преобразования энергии. Показана перспективность использования наноструктур в качестве термоэлектрических материалов. Систематизированы и обобщены методы и результаты исследования объемных наноструктурных термоэлектриков на основе твердых растворов Bi-Sb-Te. Продемонстрированы способы получения наночастиц и их последующего спекания в объемный образец, результаты исследования структуры полученных материалов методами электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии, исследования механических свойств. Обсуждаются предложенные с участием авторов методы изготовления и свойства термоэлектрических нанокомпозитов, полученных с добавлением фуллерена, термически расщепленного графита, графена и дисульфида молибдена. Рассмотрены методы предотвращения рекристаллизации, методы измерения термоэлектрических свойств данных нанотермоэлектриков: электро-, теплопроводности, термоэдс и добротности. Теоретически исследованы факторы, влияющие на термоэлектрическую добротность, в том числе туннелирование носителей через зазор между нанозернами, дополнительное рассеяние фононов на границах нанозерен и энергетическая фильтрация носителей через барьеры. Установлены механизмы и пути увеличения добротности. Экспериментально подтвержден рост термоэлектрической добротности. Показаны физические механизмы увеличения термоэлектрической добротности за счет использования наноструктур. Увеличение термоэлектрической добротности означает расширение областей рационального применения термоэлектрической генерации энергии и термоэлектрического охлаждения.
СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ИОНОВ ХРОМА В НАНОСТЕКЛОКЕРАМИКАХ НА ОСНОВЕ ФОРСТЕРИТА Асеев В. А., Жуков С. Н., Кулешов Н. В., Курильчик С. В., Мудрый А. В., Никоноров Н. В., Рохмин А. С., Ясюкевич А. С.
57
Представлены сравнительные результаты исследования спектрально-люминесцентных свойств стекол и форстеритовой наностеклокерамики системы SiO2–Al2O3–MgO–K2O–TiO2, легированных ионами хрома. Образцы исходных стекол получены методом высокотемпературного синтеза. Стеклокерамики получались путем двухступенчатой вторичной термообработки исходных стекол. На первом этапе термообработки при 700 ºС формировались центры нуклеации, на втором – происходил рост кристаллической фазы состава Mg2SiO4:Cr. Состав кристаллической фазы и размер кристаллов определялись на рентгеновском дифрактометре. Показано, что в процессе термообработки выделяется кристаллическая фаза, которая представляет собой соединение состава Mg2SiO4 (форстерит). По спектрам люминесценции и поглощения определены валентные состояние и положение иона хрома в форстерите или стеклообразной матрице. Проведена идентификация полос поглощения и люминесценции в исходных и термообработанных образцах. Исследована зависимость спектрально-люминесцентных свойств хрома от режимов термообработки. Определено, что при термообработке ионы трех- и четырехвалентного хрома входят в форстеритовую кристаллическую фазу, а часть из них остается в стеклообразной фазе. Результаты представленного исследования могут быть использованы при разработке и создании стекол и наноразмерной стеклокерамики для волоконных перестраиваемых лазеров и широкополосных оптических усилителей ближнего инфракрасного диапазона, используемых в информационно-телекоммуникационных технологиях.
62
Фторофосфатные стекла являются одними из перспективных матриц для создания иттербий-эрбиевых лазеров. Это связано с высокой технологичностью синтеза стекол и низким содержанием снижающих эффективность люминесценции ОН-групп, а также возможностью синтеза стекол с высокими концентрациями редкоземельных ионов (до 15 вес.%). Целью работы являлось комплексное исследование спектрально-люминесцентных свойств фторофосфатных стекол с различным содержанием иттербия и эрбия. Стекла серии Ba(PO3)2-BaF2-СaF2-MgF2-AlF3-SrF2-YF3 получены методом высокотемпературного синтеза. Концентрация фторида эрбия изменялась в пределах 1–12,5 мол.%. Измерены спектры поглощения. На основании полученных данных определены сечения поглощения и параметры Джадда–Офельта. Спектры люминесценции записывались при возбуждении титан-сапфировым лазером с длиной волны 975 нм. Методом МакКамбера были рассчитаны сечения вынужденного излучения. Для расчета радиационного времени затухания люминесценции ионов эрбия использована формула Фюхтбауэра–Ланденбурга. Интегральные сечения поглощения и вынужденного излучения составили abs =1,37×10–18 см–2 и em =1,39×10–18 см–2. Это превышает значения, получаемые в обычных фосфатных стеклах. Максимальное значение квантового выхода люминесценции составило 85% для образца с концентрацией эрбия NEr = 1×1020 см–3. При увеличении концентрации эрбия от 1×1020 см–3 до 12,9×1020 см–3 квантовый выход снижется на 7%, что обусловлено малым содержанием гидроксильных групп во фторофосфатных стеклах. Исследованные стекла являются перспективным материалом для создания лазеров и усилителей, работающих на длине волны 1,5 мкм.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ СЕНСОРНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ Егоров В. И., Звягин И. В., Карпенко Е. Д., Клюкин Д. А., Сидоров А. И.
Представлены результаты расчета оптических характеристик наночастиц серебра с диэлектрической оболочкой для использования в химических и биосенсорах. Расчет сечения поглощения сферических наночастиц серебра с диэлектрической оболочкой проводился в дипольном квазистатическом приближении. Показано, что оптимальными для металл-диэлектрических наноструктур являются толщина диэлектрической оболочки 2–3 нм и показатель преломления оболочки 1,5–1,75. Выполнено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными. Проведено экспериментальное исследование чувствительности металл-диэлектрических наноструктур к изменению показателя преломления внешней среды. Синтез наноструктур, состоящих из наночастиц серебра с оболочкой на поверхности стекла, содержащего ионы серебра, проводился методом лазерной абляции приповерхностного слоя стекла наносекундными импульсами лазера с длиной волны 1,06 мкм (Solar LQ129), при этом из лазерного факела на поверхность стекла оседают наночастицы серебра и покрываются оболочкой из диэлектрических компонент стекла. Синтез наночастиц серебра без оболочки на поверхности стекла, содержащего ионы серебра, проводился методом термообработки стекла в парах воды. Измерение спектров оптической плотности образцов проводилось с помощью спектрофотометра Cary 500 (Varyan). В случае синтеза наноструктур методом лазерной абляции при изменении показателя преломления от 1 (воздух) до 1,33 (вода) происходит сдвиг плазмонной полосы поглощения на 6 нм. В случае синтеза наночастиц серебра без оболочки на поверхности стекла при тех же условиях зарегистрирован сдвиг плазмонной полосы, составляющий 13 нм, но при этом частицы легко удаляются с поверхности подложки. Полученные результаты могут найти применение при разработке химических и биологических сенсоров на основе спектрального сдвига плазмонных резонансов.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

74
Представлена HLD-методология проектирования встраиваемых систем, созданная и развиваемая специалистами Университета ИТМО и научно-производственной фирмы «ЛМТ». Актуальность темы обусловлена постоянным ростом архитектурной сложности реконфигурируемых встраиваемых вычислительных систем, повышением значимости вопросов системного проектирования. Показано применение HLD-методологии в ряде прикладных проектов. Ее использование повысило качество архитектурного и микроархитектурного проектирования. В основу методологии положены: система архитектурных абстракций; процесс проектирования архитектурной модели вычислительной системы, независимой от аппаратно-программной реализации; аспектная модель процесса проектирования вычислительной системы; модель актуализации вычислительного процесса на основе понятия унифицированного транслятора. Практическое применение предложенной HLD-методологии решает важные задачи проектирования. Обоснованно распределяются компоненты вычислительного процесса по различным фазам жизненного цикла системы (проектирования, исполнения), обеспечивается расширение пространства поиска проектных решений. Осуществляется синтез архитектуры на основе обобщающего взгляда на механизмы конфигурирования и программирования на базе модели актуализации вычислительного процесса. Обеспечивается возможность позднего закрепления конкретного способа реализации архитектурных решений. Применяются вертикальные архитектурные нотации. Гибко изменяются свойства встраиваемой системы посредством конфигурирования в рамках выбранного подмножества проектных аспектов. Это позволяет управлять затратами ресурсов на различных фазах ее жизненного цикла (разработки, производства, использования, поддержки). Предлагаемая HLD-методология проектирования рассматривает реконфигурируемую встраиваемую систему прежде всего через призму организации ее целевого вычислительного процесса на фазах проектирования, конфигурирования, исполнения в едином ключе. Разработчикам предоставлена возможность поиска эффективного распределения элементов вычислительного процесса по различным фазам. Методология включает в себя группы абстракций для работы с компонентами вычислительной системы и вычислительной системой в целом, с процессом проектирования встраиваемой системы и метриками архитектурных решений. В работе приведены основные положения предлагаемой авторами HLD-методологии. Демонстрируется ряд реконфигурируемых встраиваемых систем, разработанных с использованием элементов HLD-методологии.
ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА ЕСТЕСТВЕННОЙ РЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БАЗЫ ДАННЫХ НЕБОЛЬШОГО ОБЪЕМА Чистиков П. Г., Таланов А. О., Захаров Д. С., Соломенник А. И.
83
Представлен подход к созданию голоса для системы синтеза естественной речи в условиях малого объема исходного речевого материала. Эффективное решение данной проблемы необходимо для задачи восстановления голоса (синтез потерянных фрагментов записи на основе доступного материала известного диктора, например актера). Представленная система синтеза речи является гибридной, так как комбинирует достоинства систем, основанных на скрытых марковских моделях и методе Unit Selection. Подход, описанный в работе, использует статистические модели интонационных параметров, что позволяет сохранять в синтезированной речи особенности произношения диктора. Описан процесс подготовки базы данных для синтеза, в том числе и решение проблемы нехватки исходного речевого материала для обучения модели. Специальные алгоритмы конкатенации и модификации звуковых элементов помогают корректировать их параметры в соответствии с требованиями, обеспечивают общую тональную гладкость и уменьшают искажения в спектральной области на границах объединяемых фрагментов. Аудитивные тесты показали эффективность предложенных решений и доказали, что синтез естественной речи возможен даже в условиях малой речевой базы (вплоть до одного часа речи).
Исследован способ определения клиппированных участков в акустических сигналах, обладающий лучшими характеристиками по сравнению с другими известными способами. Данный способ основан на построении гистограммы амплитуд анализируемого сигнала и вычислении расстояний между локальными максимумами гистограммы на ее хвостах и в центральной части. Отличие гистограмм неклиппированного и клиппированного сигналов заключается в том, что гистограмма неклиппированного сигнала имеет плавно спадающие хвосты, в то время как гистограмма клиппированного сигнала имеет на хвостах заметные и легко обнаруживаемые всплески. Величина данных всплесков и качество детектирования клиппированных фрагментов соответственно зависят от параметров исследуемого способа. Основной целью работы является нахождение оптимальных параметров исследуемого способа. Путем математического моделирования детально исследованы характеристики способа: построены плотности распределения целевой величины для различных длин анализируемого кадра сигнала, количества отсчетов в гистограмме и уровней клиппирования акустических сигналов. Показано, что при длине кадра в 6000–8000 отсчетов и количестве отсчетов в гистограмме, равном 200–300, достигается хорошее различение клиппированных и неклиппированных участков акустического сигнала. При этом порог разделения может варьироваться в пределах 0,45–0,55. Приведены примеры работы детектора клиппирования, основанного на исследованном способе, на реальных акустических сигналах при различных уровнях клиппирования.
98
Предложен метод иерархическо-координационного обслуживания очередей. В рамках предложенного метода задача обслуживания очередей была сведена к решению оптимизационной задачи, представленной двухуровневой иерархической структурой. На первом уровне решалась задача распределения потоков между очередями, на втором уровне решения, полученные на первом уровне, координировались с целью предотвращения вероятной перегрузки канала связи. При управлении многоуровневой структурой в основу был положен принцип целевой координации, который определял порядок учета ограничений на взаимодействие очередей и распределения расчетных задач между уровнями иерархии. Координация решений осуществлялась с использованием метода множителей Лагранжа. Методами аналитического моделирования проведено исследование сходимости предложенного метода.
МЕТОД ПОИСКА ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ФРАГМЕНТОВ ТЕКСТА В ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Луцив Д. В., Кознов Д. В., Басит Х. А., Ли О. Е., Смирнов М. Н., Романовский К. Ю.
106
Предложен метод, позволяющий искать повторы в технической документации, выполненной в формате DocBook/DRL или в виде «плоского» текста. Разработан алгоритм, основанный на технике поиска клонов в программном обеспечении (software clone detection). Алгоритм реализует фильтрацию стандартного поиска клонов: отбрасываются клоны, чья длина меньше 5 символов; выполняется устранение пересечения клонов, а также удаление несущественных клонов и клонов, состоящих только из XML-конструкций. Поддерживается поиск по остаткам. После нахождения клонов они устраняются из документации, и поиск повторяется. Доказывается достаточность одного шага. Реализована техника адаптированного повторного использования Бассета–Ерзабека. На основе предложенного алгоритма разработан программный инструмент, поддерживающий параметризацию поиска повторов, а также визуализацию полученных результатов. Инструмент интегрирован со средой разработки повторно используемой документации DocLine и реализует рефакторинг документов на основе найденных клонов. Инструмент использует утилиту Clone Miner для поиска клонов. Представлена апробация метода для документации к ядру операционной системы Linux (29 документов, 25 000 строк). Выделено 5 видов клонов: термины, гиперссылки, лицензии, описание функциональности, примеры кода. Всего найдено 451 содержательных групп клонов. Средняя длина клона – 4,43 токена. Среднее количество клонов в группе – 3,56. Предложенный подход может оказаться полезным в средах работы с документацией семейств программных продуктов.
115
Оценивание эффективности системы менеджмента информационной безопасности является важным этапом в циклической взаимосвязи видов деятельности системы менеджмента информационной безопасности, в ходе которого определяется соответствие системы заданным требованиям информационной безопасности организации. Исходя из анализа текущей практики оценивания эффективности систем менеджмента информационной безопасности, можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев проводится независимое оценивание отдельных атрибутов информационной безопасности без учета их взаимодействия, в ходе измерений атрибутов не учитывается наличие неопределенности стохастического характера. Существует перечень взаимосвязанных мер и средств контроля и управления, однако конструктивные элементы измерений для оценки данных взаимодействий отсутствуют. Таким образом, возникает важная и актуальная задача совершенствования методологии оценки эффективности системы менеджмента информационной безопасности, решение которой возможно путем введения нового интегрального показателя эффективности системы, который бы позволил учесть вышеуказанные недостатки. В работе предлагается использовать новый интегральный показатель эффективности – время реакции системы на инциденты информационной безопасности. Использование этого показателя позволит перейти от бинарной оценки эффективности системы «удовлетворяет – не удовлетворяет» к количественной. Предложенный показатель эффективности позволяет учесть неопределенности стохастического характера атрибутов мер и средств управления и контроля, дает количественную оценку состояния информационной безопасности, имеет ясную физическую трактовку для руководства организации и службы информационной безопасности. Динамика изменения показателя от проверки к проверке позволяет судить о состоянии системы менеджмента информационной безопасности в целом и о результативности принимаемых мер и средств управления и контроля. Методика расчета нового показателя эффективности системы менеджмента информационной безопасности основана на применении методологического аппарата теории планирования экспериментов. Достоинство методики – в том, что персоналу службы информационной безопасности предоставляется возможность управления измерениями атрибутов, обеспечивается одинаковая точность оценок параметров атрибутов в процессе измерений, с помощью коэффициентов регрессии выявляется степень взаимодействия атрибутов и их значимость в расчете показателя эффективности системы менеджмента информационной безопасности, а также формируется аналитическая модель показателя эффективности.
124
Предложен подход для решения задачи идентификации движущегося человека в системах видеонаблюдения. Задача решается в два последовательных этапа. На первом этапе в видеопотоке выделяется движение человека на фоне движения других объектов. На втором этапе проводится идентификация человека по изображению лица. Обнаружение движения человека осуществляется путем представления исходного видеопотока в виде временного ряда. Для этой цели применен математический аппарат исследования сингулярного спектра. Наличие движения определяется путем анализа периодических составляющих временного ряда, построенного на основе данных о цветовых и яркостных компонентах видеокадров исходного видеопотока. Идентификация человека по изображению лица реализуется путем представления изображения лица в виде двумерной матрицы с последующим применением математического аппарата иммунокомпьютинга. Для идентификации человека по изображению лица вычисляется энергия связи между объектами. Эта величина характеризует степень близости входного изображения лица к лицам, находящимся в обучающей выборке. Представленное в работе решение задачи идентификации движущегося человека дает возможность работы с видеопотоком низкого качества, имеющим высокий уровень шума либо артефакты сжатия при кодировании. Достоинством метода является простота реализации. В отличие от традиционных методов компьютерного зрения, предложенный метод не требует значительных вычислительных затрат, благодаря сведению процедуры анализа к выполнению простых числовых операций. Метод также не требует предварительной фильтрации изображений видеокадров, что позволяет значительно увеличить скорость работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЕ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ГОРЬКОСТИ ПРЕПАРАТОВ КИТАЙСКОЙ НАРОДНОЙ МЕДИЦИНЫ Ярошенко И. С., Кирсанов Д. О., Легин А. В., Ванг П. ., Ха Д. ., Ван Х. ., Ван Х. ., Хе Ю. .
132
Представлено исследование препаратов на основе лекарственных растений, используемых в традиционной китайской медицине для лечения и профилактики широкого спектра заболеваний. Цель работы – оценить возможности мультисенсорной системы при инструментальной оценке горькости анализируемых образцов. В данной работе 33 образца отваров лекарственных растений были оценены дегустаторами по шкале горькости от 0 до 6. Разработана методика анализа и проведены многократные измерения образцов с помощью мультисенсорной системы. Оценки дегустаторов являются референтными значениями при калибровке мультисенсорной системы. Построенная по полученным данным регрессионная модель продемонстрировала хорошую корреляцию откликов системы с горькостью, ощущаемой людьми. Параметры регрессионной модели позволяют сделать вывод о том, что мультисенсорная система способна предсказать горькость образцов лекарственных растений со средней ошибкой ±1 по референтной шкале горькости. Относительная ошибка определения горькости составляет 14%, что является хорошим результатом для измерений такого типа (типичная ошибка дегустаторской оценки, как правило, составляет 15–30%).
140
Рассмотрена задача бесконтактного измерения площади поверхностных дефектов на объектах сложной формы при видеоэндоскопическом контроле. Впервые проанализированы основные факторы, определяющие погрешность подобных измерений. Основу предлагаемого метода анализа составляет оценка трехмерных координат точек поверхности по их двумерным проекциям, полученная с использованием проективной модели систем регистрации и минимизации расстояния Махаланобиса в плоскостях изображений. Аналитически для практически важных случаев цилиндрической и сферической поверхностей получены выражения для погрешности измерения ее площади, вызванной аппроксимацией набором треугольников. Показано, что при реальных значениях параметров оптико-электронной системы эндоскопического зонда величина этой составляющей погрешности для отдельного треугольника не превышает 1%. Получены выражения для ошибки измерения площади поверхности произвольной формы, вызванной неточностью измерения трехмерных координат отдельных точек с учетом и без учета априорной информации о форме поверхности. Проверка полученных выражений на данных реального эксперимента показала, что погрешность измерения площади сложной фигуры, заданной набором точек, в основном определяется отсутствием учета принадлежности этих точек к поверхности. Установлено, что использование априорной информации о форме исследуемой поверхности, которая зачастую доступна из конструкторской документации, могла бы во многих случаях радикально повысить точность измерения площади поверхностных дефектов. Представленные результаты справедливы для стереоскопического, теневого и фазового методов видеоэндоскопических измерений и могут быть эффективно использованы при разработке новых и модернизации существующих бесконтактных измерительных эндоскопических систем.
149
Выполнен обзор и сравнительный анализ отечественных и зарубежных литературных источников последних лет по различным накопителям энергии. Рассмотрены современные разработки и опыт применения в различных областях техники. Сформулированы сравнительные показатели накопителей энергии – эффективность, качество и стабильность. Приведены типичные характеристики таких накопителей, как электрохимические аккумуляторы, суперконденсаторы, гидроаккумулирующие электростанции, системы на основе сжатого воздуха и индуктивные сверхпроводящие накопители. Показаны преимущества и перспективы высокоскоростных супермаховиков как одного из способов запасания энергии в виде кинетической энергии вращения. Большая выходная мощность супермаховика позволяет использовать его в качестве буферного источника пиковой мощности. Показано, что супермаховики обладают большим жизненным циклом (более 20 лет) и экологичностью. Отличительной особенностью таких источников является их хорошая масштабируемость. Продемонстрировано, что супермаховики особенно эффективны в гибридных энергоустановках, работающих в режиме заряд/разряд и применяемых, в частности, на электротранспорте. Важнейшими факторами для космического применения супермаховиков являются их модульность, высокая эффективность, отсутствие механического трения и долгое время работы без обслуживания. Быстрое время реакции на изменения в сети и высокая выходная мощность могут использоваться для поддержания требуемого качества электроэнергии и общей надежности сети одновременно с выполнением задачи накопления энергии.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

156
Разработан подход к эффективной реализации численных методов и вычислительных алгоритмов, предназначенных для моделирования течений невязкого и вязкого сжимаемого газа в областях сложной геометрической конфигурации. Развивается метод ускорения сходимости итерационного процесса, основанный на использовании многосеточных технологий решения систем разностных уравнений большой размерности. Уравнения Эйлера и Навье–Стокса дискретизируются на структурированных и неструктурированных сетках при помощи схем высокой разрешающей способности по времени и по пространству. Многосеточный метод реализуется на основе стандартного C/F разбиения переменных и метода стандартной интерполяции. Предложен подход, позволяющий преодолеть проблемы, связанные с хранением коэффициентов матрицы разных знаков. Возможности разработанных средств численного моделирования демонстрируются на примере задачи обтекания профиля. Приведены результаты расчетов течений невязкого и вязкого газа на структурированных и неструктурированных сетках при использовании различных составных компонентов многосеточной технологии. Сравнение скорости вычислений и факторов сходимости на структурированных и неструктурированных сетках показало экономичность разработанного подхода, а также слабую зависимость показателей качества от числа узлов сетки. Выбор оптимального числа внутренних итераций позволил сократить время счета на 10%. Результаты работы могут быть использованы при разработке вычислительных пакетов, предназначенных для решения задач газовой динамики в областях сложной формы.
164
Рассмотрен способ расширения оператора, представляющего сумму тензорных произведений. Применен подход граничных троек. Один из операторов предполагается плотно заданным симметрическим оператором с равными индексами дефекта, а второй – ограниченным и самосопряженным. Для построения самосопряженных расширений рассматриваемого оператора строится граничная тройка, берущая за основу граничную тройку симметрического оператора. По граничной тройке симметрического оператора строятся гамма-поле и функция Вейля. Выражения, связывающие гамма-поле и функцию Вейля симметрического оператора с гамма-полем и функцией Вейля рассматриваемого оператора, позволяют использовать обобщенную резольвентную формулу Крейна для получения всех самосопряженных расширений и в данном случае. Теоретические результаты применяются к конкретному, с физической точки важному оператору – оператору Дирака. Для оператора Дирака построена граничная тройка, а также отвечающие ей гамма-поле и функция Вейля. С помощью формулы Крейна получены самосопряженные расширения. Полученные результаты могут быть использованы для корректного описания взаимодействия квантовых систем.
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕПТИДНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ Неелов И. М., Мистонова А. А., Хватов А. Ю., Безродный В. В.
169
Методы компьютерного моделирования применены для исследования конформационных свойств некоторых заряженных гомополипептидов в разбавленных водных растворах. С помощью метода молекулярной динамики изучены полноатомные модели полилизина и полиаспарагиновой кислоты с явным учетом воды и противоионов. Рассчитаны размеры, форма, функции распределения, временные корреляционные функции радиуса инерции и расстояний между концами пептидных цепей. Получены характеристики сольватации рассмотренных полиэлектролитов. Установлено, что полиаспарагиновая кислота имеет в разбавленном водном растворе более компактную структуру и более сферическую форму, чем полилизин. Показано, что это связано с различным взаимодействием между рассмотренными полипептидами и молекулами воды (в частности, количеством и качеством водородных связей, образованных этими пептидами с водой), а также с различием в количестве ионных пар, образуемых заряженными группами пептидов и противоионами. Полученные результаты необходимо учитывать при создании различных изделий на основе исследованных пептидов и их применении в различных промышленных и биомедицинских приложениях.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

176
Рассматривается задача идентификации параметров нелинейной математической модели, описывающей быстрые термические процессы. Для оценивания параметров модели предложен гибридный метод, сочетающий аналитическое решение и использование методов численной оптимизации. На первом этапе по экспериментальным данным оценивается значение скорости изменения температуры, что позволяет записать исходную нелинейную модель как модель линейной регрессии и найти оценку параметров методом наименьших квадратов. Полученная оценка используется как начальное значение при численном решении задачи минимизации ошибки предсказания, что позволяет сформировать оптимальный предиктор. Предложенный алгоритм апробирован на экспериментальной установке для газофазной эпитаксии, полученные оценки параметров нелинейной модели позволяют с высокой точностью прогнозировать изменения температуры.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика