Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

201
Предмет исследования. Рассмотрен относительно простой метод создания интерактивных электронных моделей физических систем,не требующий программирования и автоматической генерации численных моделей сложных физических систем. Создаваемые учебные модели доступны для использования через Интернет и допускают практически неограниченное on-lineредактирование пользователями. Обсуждены варианты использования создаваемых электронных моделей для сопровождения массового индивидуализированного обучения и организации самостоятельных учебно-научных исследований учащихся. Метод. В основу разработки положен оригинальный метод физического объектно-ориентированного моделирования, являющийся приложением традиционных идей объектно-ориентированного программирования к задачам построения и настройки численных моделей относительно сложных физических систем. В его рамках компьютерная модель физической системы строится как совокупность программных объектов, моделирующих поведение составляющих ее относительно обособленных физических элементов - частиц и полей. Взаимодействия между элементами модели описываются с помощью самоадаптирующихся алгоритмов, выбор которых задается при построении модели в зависимости от используемого физического приближения – классического или релятивистского. Использованный подход не требует априорных представлений о характере временной эволюции рассматриваемой физической системы и составления системы дифференциальных уравнений, описывающих эту систему как целое. Основные результаты. Проверка работоспособности метода и правильности реализации алгоритмов поведения базовых объектов осуществлялась на тестовых моделях, временная эволюция которых допускает аналитическое описание. Разработанный конструктор обеспечил возможность серийной автоматизированной разработки интерактивных моделей-демонстраций по основным разделам курсов механики, изучаемых в средних и высших учебных заведениях. В состав электронных сборников многоуровневых мультимедийных ресурсов для сопровождения преподавания механики вошло более 150 оригинальных интерактивных моделей. Апробирована возможность использования электронного конструктора как основы для проведения учащимися самостоятельной поисковой работы по исследованию физических свойств сложных механических систем, анализ которых выходит за рамкистандартных программ по физике и математике. Продемонстрированы эвристические возможности создаваемых с помощью электронного конструктора моделей. Показана их применимость для изучения динамики сложных систем, априорный качественный анализ поведения которых не самоочевиден, а аналитический расчет временной эволюции затруднен или невозможен. Практическая значимость. Созданное средство автоматизации разработки интерактивных электронных образовательных ресурсов для учебного моделирования позволяет обеспечить решение актуальных задач электронного сопровождения массового индивидуализированного предметного многоуровневого обучения физике и развития активных творческих форм обучения, включающих элементы научного исследования.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КОЖЕЙ: МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Рогов П. Ю., Чжэн Ч. ., Налегаев С. С., Скобников . В., Беспалов В. Г.
215
Исследованы особенности воздействия фемтосекундного лазерного излучения на кожные покровы. С помощью метода Монте-Карло произведена оценка глубины проникновения в кожные покровы излучения с наиболее распространенной для фемтосекундных систем (лазер на сапфире с титаном) длиной волны 800 нм. Разработана математическая модель процесса теплопередачи, основанная на аналитическом решении системы уравнений, описывающих динамику электронной и атомной подсистемы. Проведен эксперимент по определению пороговой энергии повреждения биологических тканей (в качестве тест-объекта была использована куриная кожа). Получено значение времени релаксации электронной подсистемы, которое согласуется с литературными данными. Результаты работы могут найти применение для оценки уровней энергии импульсного лазерного излучения различных длительностей, при которых наблюдается повреждение биологических тканей, а также для формирования стандартов безопасной эксплуатации фемтосекундных лазерных систем.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

224
Представлены результаты исследования основных технологических вопросов полного цикла изготовления кварцевых многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления, отличительной особенностью которого является наличие центрального дефекта в виде габаритного провала. Проанализированы возможности и оптимизированы условия процесса MCVD-синтеза преформ световодов для практической реализации указанного дефекта. Проведено исследование влияния нерегулярностей геометрии световодов класса 50/125 мкм с габаритным провалом градиентного профиля показателя преломления в центре сердцевины, индуцированных вытягиванием в режиме ручного поддержания постоянства внешнего диаметра, на коэффициент затухания распространяющегося по ним излучения. Показано, что отклонение диаметра световодов на величину ± 3,5 мкм от номинального значения приводит к увеличению затухания на 2–5 дБ/км в спектральной области λ = 1310 нм относительно аналогов, при изготовлении которых применялся режим автоматического контроля диаметра. Установлено, что во втором случае световод с параболическим профилем показателя преломления, соответствующим числовой апертуре 0,20, и глубиной провала 0,0115 демонстрирует затухание на уровне 5 дБ/км в области второго и третьего окон прозрачности оптического волокна. С применением статистики Вейбулла дана оценка механических свойств световодов, полученных при разных температурах вытягивания. По результатам оценки прочность на растяжение составила 5,07–5,49 ГПа, что сопоставимо с прочностными характеристиками кварцевых оптических волокон связного типа. Полученные многомодовые световоды представляют интерес для создания на их основе чувствительных элементов регистрации внешних воздействий в системах волоконно-оптических датчиков сенсорных сетей, базирующихся на маломодовых эффектах.
МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТИВОВ ПО ЧАСТЯМ Зорич Н. Д., Лившиц И. Л., Окишев . С., Сомова . Е., Анитропов Р. В., Летуновская М. В.
234
Представлен метод проектирования ультрафиолетового объектива для оптической литографии. Подход к проектированию подобного объектива заключается в разделении сложного объектива на два более простых. У первого, фронтального объекта предмет расположен на конечном расстоянии, а изображение – в бесконечности. Вторая (приемная) часть литографического объектива представляет собой обычный фотообъектив. Простые объективы рассчитываются отдельно, а затем объединяются в один сложный объектив с последующей «сквозной» оптимизацией параметров. Стыковка двух частей литографического объектива выполняется в плоскости апертурной диафрагмы. Оба объектива проектируются по схеме с вынесенным входным зрачком. При выборе исходных оптических систем простых объективов использована программа с элементами искусственного интеллекта SYNOPSYS, OSD. Предложенный метод описывает шаги получения желаемой исходной оптической схемы и решает проблемы оптимизации системы с высокой апертурой. Продемонстрирован пример расчета литографического би-телецентрического объектива. Объектив оптимизирован как дифракционно-ограниченная система для спектрального диапазона 362–368 нм с основной длиной волны 365 нм. Число Штреля на основной длине волны 365 нм на краю поля 0,989. Объектив имеет длину 630 мм, состоит из 18 линз с 4 асферическими поверхностями, увеличение 0,2, дисторсия менее 1%. Размер изображения составляет 22×22 мм2. Для положительных линз использованы стекла S-FPL53, S-FPL51Y, BAL15Y, а для отрицательных линз – PBM2Y, PBL25Y. Расчетное значение коэффициента пропускания при наличии просветляющего покрытия 43%.
242
Предмет исследования. Рассмотрены методы повышения разрешающей способности, стабильности и повторяемости фотолитографического процесса с применением источника освещения сложной формы. Показаны пути оптимизации формы источника освещения фотолитографической установки для использования с конкретными масками или группами масок.Методы. Для оптимизации «имитации отжига» применен стохастический алгоритм для периодических масок с различным периодом. В качестве оценочных функций оптимизации использованы контраст периодических масок с различным периодом (включая «запрещенный»), а также площадь эллиптического окна процессов фотолитографической установки. Исследования выполнены с использованием программы Sentaurus Lithography (Synopsys Inc). Основные результаты. В качестве примера показан процесс оптимизации масок с периодом 150–300 нм при длине волны 193 нм и апертуре оптической системы 0,93. Рассмотрен случай работы алгоритма оптимизации при добавлении различных значений расфокусировки и дозы экспозиции. Показано, что предложенный способ оптимизации формы источника освещения позволяет повысить контраст для масок различного периода, а также площадь окна процессов фотолитографической установки. Исследование сходимости алгоритма показало, что для оптимизации источника с заданной маской периодом 600–800 нм достаточно 100 итераций, а дальнейшее увеличение количества итераций не приводит к увеличению контраста. Практическая значимость. Предложенный алгоритм может быть использован в качестве замены более сложным алгоритмам оптимизации источника с целью уменьшения минимального размера элемента и повышения стабильности процесса. Алгоритм обладает высокой сходимостью.
ФОТОМЕТР-КОЛОРИМЕТР НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ СФЕРЫ С ВНУТРЕННИМ ЭКРАНОМ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ RGB-КОМПОНЕНТОВ Белов Н. П., Грисимов В. Н., Дикий . Д., Одноворченко П. В., Савченко-Новопавловская . С., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д.
249
Предмет исследования.Предложен и спроектирован лабораторный колориметр для определения параметров цвета объектов с диффузным отражением. Рассмотрены его конструктивные особенности, технико-эксплуатационные и метрологические характеристики, алгоритм калибровки прибора в цветовых системах XYZ и RGB. Приведены результаты исследования колориметрических параметров материалов эстетической стоматологии. Методы исследования. В конструкции колориметра в качестве излучателя и фотоприемника впервые использованы светодиод и RGB-фотодиод, а также интегрирующая сфера с внутренним экраном. Выполнено численное моделирование распределения освещенности в такой сфере при расположении экрана вблизи ее центра. Проведены экспериментальные исследования тестовых образцов диффузных отражателей нанокомпозитов эстетической стоматологии. Основные результаты. Сходимость по данным координат цвета, измеренных с помощью фотометра-колориметра, и данных, полученных из спектров отражения, в диапазоне коэффициента отражения 4–90% находится в пределах ∆X,Y,Z не ниже 0,2. Таким образом, представленный колориметр удовлетворяет большинству практических применений колориметрии. Практическая ценность. Представленный прибор находится в пробной эксплуатации в Первом Санкт-Петербургском государственном медицинском университете им. акад. И.П. Павлова.
256
Рассмотрены вопросы измерения энергии импульсов эксимерного лазера. Целью работы является создание и исследование работы измерителя энергии импульсов на основе фотоэлектрического эффекта пленок оксида индия-олова. Предложена конструкция и электрическая схема фотоэлектрического измерителя. Проведено сравнение результатов многократных измерений энергии импульсов эксимерного лазера для измерителя на основе фотоэлектрического эффекта и коммерческого детектора на основе пироэлектрического эффекта. Показано, что погрешность измерений с помощью предлагаемого прибора не превышает погрешность измерений для пироэлектрического детектора. Обнаружено, что измеритель на основе фотоэлектрического эффекта обладает рядом преимуществ: он не подвержен влиянию механического воздействия, не требует установки нулевого уровня, менее чувствителен к влиянию температуры пластины чувствительного элемента. В работе определены границы диапазона энергий, в котором может работать чувствительный элемент измерителя. Продемонстрировано, что при плотностях энергий выше 78 мДж/см2 происходит разрушение поверхности под воздействием оптического излучения.
263
Предмет исследования. Впервые предложено использование метода рефрактометрии для диагностики множественной миеломы – заболевания кроветворной системы, характеризующейся активным синтезом моноклонального белка, который обнаруживается в сыворотке крови и (или) моче. Метод. Сущность рефрактометрического метода заключается в измерении показателя преломления исследуемого образца, который зависит от физико-химических характеристик сред, формирующих оптическую систему. Исследованы различия в показателях преломления сывороток крови больных множественной миеломой и здоровых людей в связи с типичными белковыми и электролитными нарушениями. Основные результаты. Показано, что по данным рефрактометрического анализа прослеживаются корреляционные связи между количеством белка в сыворотке крови больных множественной миеломой и ее (сыворотки) показателем преломления, который, как и в случае здоровых лиц, определяется прежде всего уровнем протеинемии, а не водно-электролитными нарушениями. Общей тенденцией для больных множественной миеломой, в отличие от здоровых людей, является более высокий уровень белка и электролитов в сыворотке крови. Практическая значимость. Результаты проведенного исследования показывают возможность применения рефрактометрического метода для экспресс-диагностики заболеваний, в частности, множественной миеломы.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

269
Предмет исследования. Представлены результаты исследования свободного движения линейных дискретных систем в случае, когда сигнал управления передается с задержкой, не превышающей длительности интервала дискретности, в непрерывный технический объект. Установлено, что задержка вывода сигнала управления, не превышающая длительности интервала дискретности, увеличивает размерность дискретного представления непрерывного объекта на единицу. Рассмотрен класс дискретных систем с матрицей состояния простой структуры и структурой собственных векторов, матрица которых обладает числом обусловленности, заметно превышающим единицу. Метод. Задача решена с использованием векторно-матричного формализма метода пространства состояния, для чего исследуемая система представлена в векторно-матричной форме. Аналитические оценки процессов в системе сформированы по норме вектора состояния свободного движения с вычислением числа обусловленности матрицы собственных векторов матрицы состояния системы. Основные результаты. Обнаружено, что при плохо обусловленной структуре собственных векторов матрицы состояния дискретной системы возможно возникновение заметных отклонений траекторий свободного движения системы от монотонно убывающей кривой. Практическая значимость. Указанные свойства траекторий свободного движения дискретных систем рекомендовано держать под контролем как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации систем.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

279
Предложенаметодика биотестирования, заключающаяся в оценке изменения рН, электрохимического окислительно-восстановительного потенциала и электропроводности по низкочастотному переменному току образцов, содержащих исходно определенное количество тестовых микроорганизмов, инкубируемых в течение заданного времени при заданной температуре в жидкой питательной среде заданного состава. Представлены результаты применения этой методики к анализу влияния на динамику роста и метаболитической активности Lactobacillusbulgaricusразличных термических и электрических факторов. Показано, что после предварительного прогрева L.bulg. в течение 10 минут при 50 ºС жизнедеятельная активность этих микроорганизмов достоверно и пролонгированно возрастает, а после аналогичного прогрева при 60 ºС таковая активность значимо снижается. Показано также, что даже однократное 60-минутное воздействие однородным переменным электрическим полем, имеющим среднюю напряженность 50 В/м при частоте ее изменения от 0,1 до 3 МГц, способно значимо ингибировать жизнедеятельность тестовых микроорганизмов, в то время как воздействие аналогичным электрическим полем с частотой 35 МГц достоверно и пролонгированно интенсифицирует жизнедеятельность L.bulg. Таким образом, продемонстрировано, что электрохимическое биотестирование является чувствительным лабораторным инструментом, предоставляющим исследователю доступный, удобный и информативный способ оценки влияния на живые организмы множества различных физико-химических факторов. Продемонстрировано также, что наложение малых по напряженности внешних электрических полей в сочетании с различными режимами стрессовой температурной обработки является перспективным методом как для подавления роста вредной, так и для активизации жизнедеятельности полезной микрофлоры (что может быть полезно, в частности, для увеличения эффективности различных лечебных и биотехнологических процессов).
287
Предмет исследования.Изучены теплофизические свойства нового полисилоксанового заливочного компаунда. Исследованы закономерности изменения теплопроводности и теплоемкости этого материала в диапазоне температур от +25 ºС до +175 ºС в зависимости от состава образцов. Выполнен поиск оптимального состава компаунда, обеспечивающего теплопроводность не менее 0,5 Вт/(м·К) и набор данных для оценочного прогнозирования изменения теплофизических свойств в зависимости от состава компаунда. Методы.Образцы изготовлены в ФГУП «НИИ синтетического каучука им. С.В. Лебедева» на основе серийно выпускаемых силоксановых полимеров. Компаунды представляли собой двух- или трехкомпонентные композиции холодного отверждения на основе низкомолекулярного (жидкого) полидиметилсилоксанового каучука СКТН. В качестве переменных по массовому наполнению добавок использованы полиэтилсилоксан ПЭС-5, гидроксид алюминия, гидрид титана, карбид бора, окись цинка.Исследования теплопроводности и теплоемкости выполнены с помощью измерителей ИТ-λ-400 ИТ-С-400 методом монотонного разогрева. Основные результаты. Получены новые экспериментальные данные зависимости теплопроводности и теплоемкости полисилоксанового компаунда от температуры, состава и концентрации различных наполнителей. Показано, что введение добавок позволило увеличить теплопроводность композита и уменьшить теплоемкость. Выявлено, что с ростом температуры теплопроводность компаундов падает примерно на 15%, а теплоемкость возрастает на 60–70%. Практическая значимость. Полученные данные позволяют выбрать оптимальный состав компаунда, обеспечивающий требуемые эксплуатационные показатели: теплопроводность не менее 0,5 Вт/(м·К), длительную термостойкость в диапазоне температур от –60 ºС до +200 ºС, сохранность эксплуатационных свойств при интегральном флюенсе нейтронов до 1∙1014 нейтрон/см2 и суммарной поглощенной дозы по гамма-излучению до 300 Гр. Разработанный компаунд проходит испытание и может найти применение в качестве материала твердой нейтронной защиты в составе транспортных упаковочных комплектов, предназначенных для перемещения и хранения отработанного ядерного топлива.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

294
Предмет исследования.Рассмотрены модели компьютерных сетей в виде систем массового обслуживания с неоднородным потоком заявок, отображающие обработку и передачу пакетов разных классов. Требования, предъявляемые к показателям качества передачи пакетов каждого класса, реализуются за счет применения приоритетных дисциплин обслуживания. Характерной особенностью современных систем телекоммуникаций является работа в условиях высокой нагрузки, что приводит к увеличению вероятности потерь передаваемых пакетов (заявок). Это обусловливает необходимость применения моделей с накопителями ограниченной емкости, аналитическое исследование которых сопровождается сложными и громоздкими математическими выкладками, и результаты в явном виде могут быть получены лишь в частных случаях при определенных предположениях, например, в отношении вероятностных законов, описывающих процессы поступления и обслуживания заявок, что ограничивает их применение. Метод. Исследование таких систем методами имитационного моделирования также оказывается проблематичным в виду статистической неустойчивости характеристик функционирования в области больших загрузок. Авторами работы предложен комбинированный подход к исследованию высоконагруженных систем с приоритетами на основе моделей с накопителями неограниченной емкости с использованием аналитических и имитационных методов. Основные результаты. Получены аналитические зависимости характеристик обслуживания заявок на уровне двух первых моментов распределений, на основе которых выполняется аппроксимация законов распределений числа заявок в системе. Практическая значимость. Показана возможность аппроксимации непрерывными мультиэкспоненциальными распределениями, позволяющими оценить емкости накопителей при заданной вероятности потерь заявок разных классов.
301
В статье приведен обзор сторожевых механизмов, которые представляют собой категорию технических решений, направленных на повышение надежности работы встраиваемых вычислительных систем. Зарубежные публикации в основном посвящены частным проблемам построения и использования сторожевых механизмов.В русскоязычных источниках информация, систематизирующая представление о данных механизмах, отсутствует. Недостаточная осведомленность инженеров в вопросах, касающихся этих важных и сложно интегрируемых в систему элементов, приводит к их неэффективному, а зачастую даже неграмотному использованию. Это, в свою очередь, способно привести к снижению надежности. В статье представлена базовая модель, отражающая принцип работы сторожевого механизма. Проведен анализ представленных в литературе технических решений, используемых для детектирования ошибок. Предложена их классификация. В компактной табличной форме представлены основные свойства данных решений. Рассмотрены различные варианты действий при обнаружении ошибок. Приведен обзор технических решений, направленных на повышение эффективности сторожевых механизмов. Важнейшей проблемой на сегодня представляется отсутствие средств автоматизации процесса, которые по заданным критериям (время обнаружения ошибки и время реакции на нее) позволяли бы эффективно и грамотно интегрировать сторожевой механизм в проектируемую аппаратно-программную систему. Эти вопросы в форме постановки задач для будущих исследований обсуждаются в заключительных разделах работы. Статья адресована исследователям и разработчикам, занимающимся вопросами проектирования встраиваемых систем и повышения надежности их функционирования.
312
Исследованы особенности структуры комплекса промышленных изделий в приборостроении и машиностроении как наиболее сложного вида изделий, характеризующегося сильно разветвленной и многоуровневой структурой. Рассмотрена структура изделия (сборочная единица, комплект, комплекс) в виде совокупности электронных конструкторских документов, содержащих его описание. Увеличение сложности изделий приводит к изменениям процедур взаимодействия между разработчиками на этапах его жизненного цикла, основанных на применении систем управления данными (PDM – ProductDataManagement). Показано, что между составными частями изделия (в том числе и такого сложного, как комплекс) существуют различные отношения (связи), находящиеся в зависимости от наличия тех или иных составных частей (структуры комплекса). При этом изменяется и способ представления информации в виде электронной структуры изделия. На основе исследования сложности комплекса проведен анализ связей между его структурными составными частями, показаны особенности и способы представления электронной структуры комплекса в виде многоуровневого списка и графа. Предложено разделять изделия, входящие в состав комплекса, на комплексообразующие и вспомогательные, характеризующиеся основными, вспомогательными, конструкторскими или функциональными видами связей. Результаты реализации предлагаемых подходов позволяют решить задачи формирования и представления электронной конструкторской документации средствами PDM-систем и повысить уровень взаимодействия между исполнителями, соисполнителями и заказчиками продукции при проектировании новых изделий.
318
Исследован вопрос построения моделей данных применительно к процессной форме управления промышленным предприятием. Предлагается использование объектной модели данных для систем управления и оперативного принятия управленческих решений при процессной организации деятельности промышленного предприятия. Рассмотрены базовые понятия и определения, используемые в объектно-процессной модели данных, предложено ее математическое описание, которое включает представление дерева целей системы, метамодели объекта производственной системы, бизнес-процесса, центра ответственности за ресурс. Выделены четыре этапа построения информационной системы на основе объектно-процессной модели данных: описание дерева цели, метамоделирование объектов и процессов, представление структур данных, моделирование хранилища данных производственной системы. Дерево целей представляет собой иерархическую систему показателей предприятия. Объекты производства описываются иерархическими структурами и должны отвечать заданной системе показателей качества товара или услуги. Наиболее важный этап метамоделирования материальной системы – это установление связей между объектами, процессами, в ней проходящими, и показателями из дерева целей. Конечной целью метамоделирования объектов и процессов материальной системы должно являться построение репозитория, из которого можно получать структуры объектов, процессов, показателей и связей по их уникальным идентификаторам. Предложен вариант применения объектно-процессной модели в интегрированных информационных системах на основе сервис-ориентированной архитектуры, особенностью которого является возможность учитывать цели бизнеса, накапливать данные о текущем состоянии процессов и организовать хранилище данных для задач анализа ретроспективной информации. Применение объектно-процессной модели при построении информационной системы позволяет объединить два типа управления – управление по отклонению, управление по цели.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

324
Постановка задачи. Приводятся результаты численного моделирования процесса охлаждения металлического цилиндра потоком газожидкостной среды, двигающимся вдоль поверхности высокотемпературного металлического цилиндра в кольцевом канале. Результаты получены на основе математической модели сопряженного теплообмена потока газожидкостной среды и металлического цилиндра в двухмерной нестационарной постановке, учитывающей осесимметричность течения потока охлаждающей среды относительно продольной оси цилиндра. Метод решения. Для решения системы дифференциальных уравнений использован метод контрольного объема. Параметры поля течения рассчитаны алгоритмом SIMPLE. Для итерационного решения систем линейных алгебраических уравнений использован метод Гаусса–Зейделя с нижней релаксацией. Результаты численных расчетов. Проведена верификация результатов численного моделирования с результатами аналитической оценки значений длин гидродинамического и теплового начальных участков стабилизации потока в кольцевом канале. Получены результаты численных расчетов параметров теплообмена при охлаждении газожидкостным потоком высокотемпературного металлического цилиндра с учетом парообразования. Определены значения температур цилиндра вдоль поверхности и по радиусу при охлаждении потоком охлаждающей среды со скоростью, характерной для ламинарного режима течения жидкости. Анализируется интенсивность изменения температуры поверхности металлического цилиндра в зависимости от начальной температуры, скорости потока жидкости и времени процесса охлаждения.
332
Предмет исследования.Исследованы факторы, определяющие точность компьютерного моделирования. Проанализированы свойства защитных экранирующих корпусов электронных и электротехнических устройств в условиях воздействия внешнего высокоинтенсивного переменного электромагнитного поля. Исследовано влияние указанного электромагнитного поля, показаны взаимосвязи геометрических, магнитных и электрических параметров корпусов с их экранирующими свойствами. Приведена оценка достоверности выполненного расчетного анализа экранирующих свойств защитных корпусов рассматриваемых устройств. Метод исследования. Расчетная оценка и анализ электромагнитной обстановки в месте размещения таких устройств и эффективность экранирования на этапе проектирования выполнены методом компьютерного конечно-элементного численного моделирования. Исследованы качественные и количественные взаимосвязи экранирующих свойств корпуса со способами задания электромагнитного поля, с устанавливаемой при моделировании плотностью сетки конечных элементов, с магнитными и электрическими параметрами материала корпуса. Основные результаты. Показано, что на точность и достоверность получаемых результатов при компьютерном конечно-элементном численном моделировании переменных электромагнитных полей и оценке экранирующих свойств корпусов устройств существенно влияют три фактора. К этим факторам относятся:равномерность задаваемого однонаправленного внешнего электромагнитного поля, плотность построения сетки конечных элементов, достоверность значений магнитных и электрических свойств магнитомягких материалов, используемых при разработке конструкций экранирующих корпусов. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение в процессе принятия обоснованных решений при проектировании конструкций корпусов электронных и электротехнических устройств, в том числе защитных экранирующих оболочек для широких диапазонов напряженности и частоты внешнего высокоинтенсивного переменного электромагнитного поля.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА ПАССАЖИРСКОГО ПОЕЗДА В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТОННЕЛЕ Данилов . А., Сиваков И. А., Пилипенко Н. В., Петров . А., Костерева . П.
340
Аналитическими и численными методами выполнено моделирование динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара для аварийных ситуаций, связанных с пожаром пассажирского поезда, с учетом специфики используемых на российских железных дорогах подвижных составов. Рассмотрены конструктивные особенности некоторых типов вагонов и локомотивов, применяемых на железной дороге, процессы возникновения и развития пожара на них, влияние опасных факторов пожара  на безопасность людей в тоннеле. Для моделирования развития пожара в тоннеле и определения динамики распространения пожара использована полевая математическая модель, основанная на решении системы уравнений Навье–Стокса для многокомпонентного неизотермического течения в существенно дозвуковом приближении, реализованная в программе FDS. Приведены результаты моделирования для различных сценариев пожара, выполнены расчеты тепловой мощности пожара с учетом свойств горящих материалов и конструктивных особенностей подвижного состава, выполнена оценка обеспечения безопасности людей при пожаре. Результаты работы применены при разработке проектной документации на железнодорожные тоннели в ОАО «Научно-исследовательский проектно-изыскательский институт «Ленметрогипротранс».
348
Предложено решение задачи выбора лучшего варианта имитационной модели из конечного множества альтернатив в процессе поддержки принятия решений. Для оценки вариантов решений используются методы многокритериального анализа альтернатив. Дана теоретико-множественная формализация процедуры интеграции имитационных моделей и моделей поддержки принятия решений. Решена задача выбора рационального набора параметров имитационной модели с учетом задаваемых пользователем ограничений, путем применения эвристического метода оптимизации на базе локальной стратегии поиска. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, образующее отдельный модуль в системе поддержки принятия решений «Космос», что дает возможность ранжировать альтернативы, представленные имитационными моделями. Архитектура программного обеспечения разработана в объектно-ориентированной парадигме. Для реализации системы использованы языки программирования C# и T-SQL. В совокупности с клиент-серверной архитектурой по технологии тонкого клиента это обеспечивает полную кроссплатформенность и дает пользователю свободу в выборе аппаратного и программного обеспечения для взаимодействия с системой. Система поддержки принятия решений «Космос» позволяет оценить результаты имитационного моделирования с использованием как традиционных подходов к ранжированию альтернатив на базе взвешенной суммы, мультипликативной свертки, идеальной точки, так и нечетких и гибридных подходов определения предпочтений лица, принимающего решения. Предлагаемое программное обеспечение является полностью независимым от предметной области, что позволяет решать с его помощью научно-технические задачи как гражданского, так и военного назначения.
354
Предмет исследования. Исследована система амортизации с элементами, способными линейно упрочняться – упрочняющимися элементами. Система такого типа трансформирует кинетическую энергию движущегося поступательно прямолинейно технического объекта в энергию деформации и работу силы трения. Рассмотрен пример с линейно упрочняющимся элементом в виде конической оболочки из жесткопластического материала. Метод. Теоретическое исследование выполнено на основе теории тонкостенных оболочек и гипотез Кирхгофа–Лява. В дополнение использованы закон Кулона, моделирующий трение в контактирующих поверхностях, и условие текучести материала Сен-Венана. Основные результаты. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния в конической оболочке, деформируемой жестким конусом с учетом силы трения. Практическая значимость. Результаты исследования позволяют проводить расчеты напряженно-деформированного состояния конической оболочки при вдавливании в нее жесткого конуса. Также эти результаты открывают возможность дальнейшего исследования систем амортизации с линейно упрочняющимся элементом в виде конической оболочки.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

359
 Представлены результаты разработки электронных обучающих средств, дополняющих учебные материалы новым уровнем визуализации на основе концепции когнитивной визуализации.Применение когнитивной визуализации учебного материала направлено напереход к продуктивному типу познавательной деятельности,формирование требуемых компетенций у обучающихся. Особенность предлагаемого подхода к разработке электронных дидактических средств заключается в смещении акцента с иллюстративной функции средств зрительной наглядности на познавательную; формировании когнитивно-визуальных образов изучаемых объектов, учитывающих психофизиологические свойства зрительного органа и мышления человека; обеспечении возможности выполнения конкретных действий с познаваемым объектом в интерактивном режиме. Сформулированы и обоснованы принципы проектирования электронных дидактических средств: структурирование содержания учебного материала; планирование результатов обучения и разработка сценария обучения; адаптация процесса обучения к личности обучаемого; использование интерактивных форм взаимодействия с обучаемым; использование методов когнитивной визуализации. Показана возможность применения игровых движков при разработке электронных дидактических средств,что позволяет развертывать приложения на всех основных мобильных, настольных и консольных платформах, а также в браузере. Разработано интерактивное приложение с когнитивной визуализацией «Двигатель внутреннего сгорания»вMicrosoft Visual Studio с применением игрового движка Unity. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию при проектировании электронных дидактических средств, направленных на достижение новых образовательных результатов.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

СИСТЕМА НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНЫМ РОБОТОМ Бобцов А. А., Добриборщ Д. ., Капитонов А. А.
365
Представлены результаты разработки системы навигации, без знания карты полигона, для мобильного робота на базе конструктора LEGOMindstormsNXT. Решена задача движения робота к точке с заданными координатами с объездом препятствий. Робот представляет собой платформу с дифференциальным приводом. Для оценки пройденного пути использованы энкодеры двигателя. Ориентацияробота определяется по измеренному гироскопом угловой скорости и рассчитанному углу поворота, а расстояние до препятствия оценивается ультразвуковыми дальномерами. В данной работе задача объезда препятствий решается на основе метода тангенциального избегания.
КОНТРОЛЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДУБЛИРОВАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ Богатырев В. А., Винокурова . М., Петров . П., Назарова . М., Шабаков . Р.
368
Предмет исследования. Исследована дублированная компьютерная система, каждый узел содержит средства оперативного и тестового контроля. Для повышения готовности системы к выполнению требуемых функций переход в режим тестирование допустим только для одного компьютерного узла. Кроме работоспособных и отказавших состояний системы,возможны ее опасные состояния, при которых имеются необнаруженные средствами контроля нарушения функционирования узлов. Определены оптимальные интервалы инициализации тестирования, обеспечивающих максимум вероятности готовности системы к безопасному выполнению функциональных запросов при минимизации простоев и задержек обслуживания. Метод исследования. Предлагаемый подход основывается на построении марковской модели, позволяющей определить вероятности состояний системы, а также влияние дисциплины и периодичности инициализации тестового контроля на готовность системы к безопасному функционированию. Основные результаты. Показано существование оптимальной периодичности тестового контроля, при которой достигается максимум вероятности готовности системы к безопасному обслуживанию запросов при минимизации задержек их пребывания в системе. Практическая значимость. Предложенные модели могут быть использованы при выборе дисциплин контроля и восстановления безопасного функционирования компьютерных систем.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика