Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

387
Предмет исследования. Для исследования флуоресцирующих случайно-неоднородных сред применен метод низкокогерентной рефлектометрии. В качестве флуоресцирующей случайно-неоднородной среды использовались слоиплотноупакованных частиц диоксида титана, допированных красителем родамином 6G. Метод. Подход низкогерентнойрефлектометрии основан на анализе моментов флуктуаций интенсивности стохастических интерференционных полей второго и третьего порядков. Флуоресцентное излучение, индуцированное непрерывной лазерной накачкой в полосе поглощения флуорофора, формирует стохастическую интерференционную картину. Распределение интенсивности в стохастических интерференционных полях определяется соотношением длины когерентности флуоресцентного излучения и разностью оптических длин путей интерферирующих компонент поля. Для анализа стохастической интерференции в регистрируемом сигнале использована конфокальная схема детектирования. Основные результаты. По экспериментально полученным пространственным флуктуациям флуоресцентного излучения в спектральном диапазоне от 560 до 700 нм рассчитаны моменты второго и третьего порядков флуктуаций интенсивности для фиксированных длин волн и построены спектральные зависимости моментов. Показана взаимосвязь между статистическими моментами второго и третьего порядков многократно рассеянных компонент флуоресцентного излучения и параметрами функции когерентности излучения и функцией плотности вероятности оптических длин путей интерферирующих компонент. Практическая значимость. Рассмотренный метод может быть интерпретирован как метод восстановления оптических транспортных характеристик сред, основанный на сопоставлении экспериментально полученных статистических моментов флуктуаций интенсивности флуоресцирующего излучения и теоретически рассчитанных оптических транспортных параметров, восстановленных методом обратного Монте-Карло. Исследование фундаментальных процессов взаимодействия излучения со случайно-неоднородными рассеивающими средами с высоким квантовым выходом флуоресценции необходимо учитывать в методах спектроскопии при анализе функционального и морфологического состояний сложно структурированных сред, таких как слои биотканей, основанных на зондировании в полосах поглощения естественных и искусственно вводимых в ткань хромофоров.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ КВАНТОВОГО АЛГОРИТМА ПОИСКА
Самсонов Э. О., Киселев Ф. Д., Чивилихин С. А., Егоров В. И., Кириченко Д. Н., Адам Ю. А., Кабиев Р. А., Глейм А. В.
394
Предмет исследования. Представлена модель интегрально-оптической схемы квантового алгоритма поиска.Исследовано влияние ошибок, вызванных реализацией двухкубитового оператора и несовершенством изготовления оптических светоделителей, на результат работы алгоритма. Метод. Для оценки влияния ошибок, вызванных опти-ческой реализацией двухкубитового оператора, произведен аналитический расчет схемы алгоритма. Для учета искажений, вызванных погрешностью коэффициента деления, произведено численное моделирование работы алгоритма. Моделирование было выполнено с использованием библиотеки Qutip на языке программирования Python. Основные результаты. При сравнении двух известных реализаций главного компонента схемы алгоритма — оператора CZ — показано, что двухфотонная линейно-оптическая реализация оператора CZ, которая имеет наиболее высокую эффективность срабатывания, вносит критическую ошибку в работу алгоритма. Другая реализация, основанная на проекционных измерениях, ошибки не вносит, однако имеет меньшую эффективность срабатывания. Проведено численное моделирование оптической схемы алгоритма с учетом несовершенства ее компонентов в рамках унитарной динамики. Показано, что вероятность ошибки в работе алгоритма из-за погрешностей изготовления существующих кремниевых светоделителей не превышает 0,011. Оптическая реализация двухкубитового алгоритма Гровера с учетом погрешности деления имеет высокую вероятность безошибочного срабатывания, однако ограничена низкой эффективностью работы двухкубитового оператора. Практическая значимость. Проведенное исследование может быть полезно для физической реализации алгоритма. Создание интегрально-оптической схемы, реализующей алгоритм Гровера, позволит построить квантовый маршрутизатор для поиска оптимального маршрута в квантовых сетях сложной топологии.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

402
Эпилепсия — это группа хронических неврологических заболеваний, проявляющихся в предрасположенности организма к внезапному возникновению судорожных приступов. В основе патогенеза этого заболевания лежат пароксизмальные разряды в нейронах головного мозга. Эпилепсия характеризуется отличием в уровне аутоантител в периферической крови (аАТ) к уровню глутаматного рецептора GluR1, являющегося субъединицей AMPA рецепторов (GluR1) и повышен- ным уровнем иммуноглобулина IgG и иммуноглобулина IgM между группой больных эпилепсией и группой здоровых. В данной статье анализировались сыворотки крови 30 здоровых доноров и 70 пациентов больных эпилепсией. Метод ин- фракрасной спектроскопии в сочетании с мультивариантным анализом предложен в качестве диагностического метода. В ходе работы для дифференциации группы здоровых доноров от пациентов, больных эпилепсией, были использованы следующие виды мультивариантного анализа: метод главных компонент и метод проекции на латентные структуры. Каждый из представленных методов дает наилучшие результаты при использовании первой производной спектров во всем диапазоне спектра. При анализе данной выборки с помощью регрессионных методов чувствительность составила 100 % и специфичность анализа составила 76,9 %.
408
Предмет статьи. Исследуется подход к автоматизации процесса интерпретации космических снимков подстилающей поверхности, полученных бортовой оптико-электронной аппаратурой систем дистанционного зондирования Земли. Актуальность исследования определяется необходимостью внедрения методов машинного зрения с целью решения задачи поиска изменений состояния земной поверхности по разновременным данным космического мониторинга. Целью исследования является сокращение временных затрат, отводимых на обработку космических снимков больших территорий. Описание метода. В основу метода положена идея сравнения контраста разновременных космических снимков. Для реализации метода сформирован математический аппарат расчета значений контраста анализируемых изображений в нормированном интервале от 0 до 1. Результативность автоматизированной обработки космических снимков обеспечивается путем их предварительной сегментации и районирования. Параметры сегментации выбира- ются с учетом размеров объектов, подлежащих обнаружению. Работоспособность предложенного метода подтвержда- ется высокой корреляцией результатов автоматизированной обработки с результатами визуального анализа тестовых космических снимков. Основные результаты. Представлены результаты расчета контраста тестовых изображений с использованием сформулированного математического аппарата. Доказана необходимость проведения сегментации изображений для решения задачи обнаружения изменений местности на примере обработки изображений, состоящих из разного количества фрагментов. Определен подход к сокращению избыточности данных об изменениях местности путем выполнения предварительной процедуры районирования, суть которой сводится к определению границ исследуемой местности с целью ограничения зон поиска изменений. Практическая значимость. Предложенный метод обработки данных дистанционного зондирования Земли обеспечивает выполнение интерпретации снимков подстилающей по- верхности в автоматизированном режиме без участия оператора. Это позволяет ускорить интерпретацию снимков при наблюдении территорий большой площади
417
Предмет исследования. Оценка возможности формирования периодических микроструктур на поверхности кремния за один сдвоенный фемтосекундный лазерный импульс. Метод. Использован экспериментальный метод сдвоенных фемтосекундных лазерных импульсов на основе интерферометра Майкельсона и теоретический метод численного моделирования процесса фотовозбуждения полупроводника в приближении диэлектрической проницаемости. Основные результаты. Представлены экспериментальные результаты по облучению поверхности монокристаллического кремния одним сдвоенным фемтосекундным лазерным импульсом вблизи порога абляции при различных временных задержках. Результаты анализа полученных оптических изображений поверхности лазерооблученного кремния сопоставлены с результатами теоретического моделирования процесса фотовозбуждения полупроводника на основе представлений теории поляритонов. Обоснована проблематичность формирования поверхностных периодических микроструктур на кремнии за один фемтосекундный лазерный импульс. Практическая значимость. Проведенное исследование полезно при выборе промышленно выгодных высокочастотных режимов фемтосекундного микроструктурирования поверхности полупроводников.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

426
Предложен алгоритм управления по выходу нелинейными многоканальными динамическими объектами в усло- виях наличия параметрических неопределенностей, перекрестных связей и внешних возмущающих воздействий. Предложенный метод управления способен обеспечить высокое качество переходных процессов и высокую робастность замкнутой системы без использования сильной обратной связи в законе управления. Для приведения к структурно- определенному виду используется модельное преобразование с использованием одного линейного фильтра по управле- нию, порядок которого равен значению относительной динамической степени объекта управления. Приведен порядок расчета относительной динамической степени нелинейного многоканального объекта с учетом перекрестных связей. Алгоритм управления основан на совмещении робастного метода вспомогательного контура и итеративной процедуры синтеза закона управления (метод бэкстеппинга). Рассмотренная модификация позволяет производить оценку вели- чины нежелательной динамики в каждом уравнении состояния объекта управления и ее последующую компенсацию путем формирования вспомогательных управляющих воздействий, равных по величине, но противоположных по знаку полученной оценки. Приведены результаты экспериментальной апробации предложенного алгоритма управления на лабораторном стенде «Twin Rotor MIMO System», который регулируется по двум угловым координатам и в упрощенном виде воспроизводит динамику винтокрылого летательного аппарата.
435
Предмет исследования. В работе была проведена идентификация неизвестных параметров регрессионной модели двумя алгоритмами оценивания: классическим методом наименьших квадратов и более новым методом динамическо- го расширения регрессора. Для сравнения качества получаемых оценок параметры регрессионной модели выбраны нестационарными, а к входному сигналу модели добавлялись шумы нескольких видов ограниченной мощности. Метод. Задача решена с использованием метода динамического расширения регрессора с последующим применением градиентного алгоритма и метода наименьших квадратов в режиме реального времени с забыванием более старых значений исследуемого входного сигнала. Основные результаты. Приведено численное моделирование, иллюстриру- ющее качественное сравнение двух используемых методов. На вход алгоритмов оценивания подавался зашумленный смещенный синусоидальный сигнал с неизвестными нестационарными параметрами смещения, амплитуды и сдвига фазы. При использовании метода динамического расширения регрессора оценка параметров входного сигнала имела апериодический вид, в то время как метод наименьших квадратов дал нежелательные осцилляции. С помощью численного моделирования было показано, что метод динамического расширения регрессора дает лучшие результаты, чем метод наименьших квадратов. Практическая значимость. Результаты работы могут быть востребованы при решении практических задач в областях обработки и оценивания не только гармонических сигналов, но и сигналов более сложной формы.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ВЛИЯНИЕ СУЛЬФАТА АММОНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОПОРОШКОВ И ОПТИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ YAG:Yb
Никова М. С., Кравцов А. А., Чикулина И. С., Малявин Ф. Ф., Тарала В. А., Вакалов Д. С., Кулешов Д. С., Тарала Л. В., Евтушенко Е. А., Лапин В. А.
443
Предмет исследования. Исследовано влияние концентрации сульфата аммония на содержание примесей, морфологию и степень агломерации порошков оксигидратов и керамических порошков. Метод. Синтез порошков-прекурсоров осу- ществляли методом обратного гетерофазного осаждения из хлоридов. Для анализа динамики изменения концентрации примесей хлора и серы в порошках оксигидратов и керамических порошках применяли метод энергодисперсионного анализа элементного состава. Морфологию экспериментальных образцов оценивали по данным растровой электронной микроскопии. Установление зависимости степени агломерации керамических порошков от концентрации сульфата аммония осуществляли с применением методов рентгенофазового анализа и газовой адсорбции Брунауэра, Эммета и Теллера. Основные результаты. Обнаружено, что применение сульфата аммония позволяет не только снизить степень агломерации керамических порошков на два порядка, но также уменьшает концентрацию примеси хлора с 0,2 до менее 0,01 ат. %. Кроме того, выявлена возможность управления величиной удельной площади поверхности в диапазоне 1,5–15 м2/г путем изменения концентрации сульфата аммония. Практическая значимость. С применением усовершен- ствованной методики синтеза керамических порошков получены образцы оптической керамики со светопропусканием в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне более 70 % без учета полос поглощения иттербия.
451
Предмет исследования. В работе исследовано взаимодействие молекулярных кластеров серебра с ионами европия в ионообменных слоях натриево-алюмосиликатного стекла. Метод. Для исследования были синтезированы стекла, пред- ставляющие собой матрицу на основе Na2O–ZnO–Al2O3–SiO2–F системы, активированную оксидами сурьмы Sb2O3 и европия Eu2О3. Серебро вводилось методом низкотемпературного Na+–Ag+ ионного обмена, для чего образцы стекла погружались в смесь нитратов 5AgNO3/95NaNO3 (мол.%) при температуре 320 °С на 15 мин. Для формирования мо- лекулярных кластеров стекла после ионного обмена обрабатывались при температурах 350–450 °С в течение 20 ч. Для формирования наночастиц серебра стекла обрабатывались при температуре 500 °С. Основные результаты. В работе изучены спектрально-люминесцентные свойства натриево-алюмосиликатных стекол, активированных европием, с мо- лекулярными кластерами серебра в ионообменных слоях. Обнаружено, что интенсивность люминесценции ионов Eu3+ в стеклах с кластерами серебра значительно превышает интенсивность в исходных стеклах. Максимальной интенсив- ностью люминесценции как кластеров серебра, так и европия, обладают стекла, обработанные при температуре 450 °С. В стеклах с наночастицами серебра наблюдается тушение люминесценции. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке люминофоров для светодиодов и конвертеров ультрафиолетового излучения для солнечных батарей.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ ZnO ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФУНКЦИОНАЛОВ
Врубель . И., Сенкевич Н. Ю., Прищепенок О. Б., Полозков . Р., Шелых . И., Родный П. А.
458
Предмет исследования. Исследована электронная структура оксида цинка в в юрцитной фазе с помощью методов квантово-механического моделирования в рамках теории функционала плотности, произведенного с помощью раз- личных функционалов обменно-корреляционной энергии. Методы. При расчетах использованы приближения в виде базовой аппроксимации с обобщенной градиентной коррекцией, обобщенной градиентной аппроксимации с коррекцией Хаббарда, а также гибридный функционал. Основные результаты. В результате выполнения расчетов установлено, что базовое приближение описывает электронную структуру оксида цинка с существенными недостатками, проявляя избыточную гибридизацию кислородной 2p и цинковой 3d оболочек и существенную недооценку ширины запрещенной зоны. Использование гибридного функционала, включающего прямой расчет обменного взаимодействия, позволило устранить второй недостаток базового приближения, но при значительном увеличении времени и сложности расчетов. Показано, что результаты, имеющие наилучшее совпадение с экспериментом, могут быть получены только при использовании Хаббардовской коррекции применительно ко всем атомам элементарной ячейки. Практическая значимость. В работе показано, что при расчете электронной структуры оксида цинка необходимым является использование коррекции Хаббарда с параметризацией внутриузлового отталкивания для всех атомов. Рассмотрены особенности при- менениях всех использованных функционалов с точки зрения степени параметризации моделей и их ресурсоемкости при проведении расчетов.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

467
Предмет исследования. Проанализированы основные методы генерации ландшафтных карт, положенные в основу раз- работки программного модуля создания и исследования моделей объектов окружающей среды. Метод. Для достижения синергетического эффекта предложен гибридный подход, представляющий собой симбиоз двух методов построения ландшафтной сетки и текстур: диаграммы Вороного и алгоритма diamond-square. Основные результаты. Определены этапы, сформулированы условия и требования к построению и визуализации ландшафтных карт, разработана математи- ческая модель визуализации окружающего пространства. Представлена процедура распознания объектов из реальных фотоснимков окрестностей Бузулукского бора, приведен результат визуализации соответствующей трехмерной сцены. Анализ ресурсозатратности процессора и оперативной памяти показал преимущества гибридного подхода по сравне- нию с применением диаграммы Вороного или алгоритма diamond-square порознь. Реализация гибридного подхода для адаптивной генерации ландшафта позволила снизить требования к производительной мощности и ресурсам компью- тера. Сделан вывод, что разработанные математическая модель и алгоритм способны проводить высококачественное моделирование реалистичных трехмерных изображений различных объектов по двумерным снимкам. Практическая значимость. Программный модуль интегрирован в цифровую образовательную платформу и позволяет любому обуча- ющемуся в контексте онлайн-курса изучить возможности того или иного реального и ключевого для промышленности участка ландшафта, эффективно готовясь к выполнению профессиональных задач в будущем.Шардаков В.М.,Извозчикова В.В.,Запорожко В.В.,ПарфёновД.И.Разработка адаптивного модуля создания иисследования виртуальных моделей объектов окружающей среды //Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 3. С. 467–474. doi:10.17586/2226-1494-2019-19-3-467-474
475
Предмет исследования. Проанализированы существующие подходы к автоматическому масштабированию облачных систем, функционирующих в условиях нестационарной пользовательской нагрузки. Выявлены недостатки существующих подходов к прогнозированию нагрузки, обусловленные недостаточной производительностью используемых алгоритмов. Анализ свойств периодических нестационарных процессов и автоматическая оценка длины их периода произведены на основе измеренных данных. Точность разработанных аналитических моделей подтверждена в ходе многочисленных имитационных экспериментов в среде моделирования AnyLogic Professional. Метод. В основе разработанного метода автоматической оценки длины периода нестационарных процессов лежит последовательное приближение промежу- точного результата к искомой величине. Предложенный метод ранжирует предполагаемые результаты в соответствии с вероятностью их соответствия определяемой величине периода нестационарного процесса. Основные результаты. Обеспечена возможность оценки длины периода за адекватное время. Тестирование проводилось на системе с про- цессором AMD FX 8120 с тактовой частотой 3,1 ГГц в один поток. Исходный сигнал генерировался с амплитудой 1. Варьировались форма сигнала, величина периода, множитель амплитуды и величина наложенного случайного шума. По данным, полученным с крупнейшего транспортного сетевого узла России «Акционерное общество «Центр взаи- модействия компьютерных сетей «МСК-IX», успешно определен период суммарного транзитного трафика, а также успешно определены периоды нестационарных процессов для модели облачной системы. Практическая значимость. Разработанный метод может быть использован в составе сервисов автоматического масштабирования облачных систем и обеспечивает более эффективное управление инфраструктурными ресурсами облачных вычислительных систем.
482
Предмет статьи. Предложен метод кодирования и декодирования видеоинформации, полученной из камер видеонаблю- дения на транспорте, основанный на использовании адаптивного трехмерного дискретного косинусного преобразования. Сжатие видео, как правило, преследует две цели: уменьшить пространственную избыточность между элементами изображения и временную избыточность между последовательными кадрами. Основным принципом пространствен- ного кодирования является учет корреляции яркостей соседних пикселей, а для межкадрового кодирования основной принцип — использование предсказания и компенсации движения по интерполированным позициям сэмплов в опор- ном кадре во всех известных стандартных видеокодеках, таких как H.26х и MPEG-х. Метод основан на использовании адаптивного косинусного преобразования в пространстве сигнала и по времени и отличается произвольными размерами кубов в зависимости от пространственных и временных статистических характеристик сигнала изображений. Основные результаты показывают, что предложенный алгоритм может улучшить эффективность кодирования и декодирования изо- бражений с учетом специфики транспортных сюжетов. Высокая производительность достигается при малой и средней интенсивности движения транспортных средств. При этом вычислительная сложность алгоритма уменшается в 4–5 раз при сохранении качества восстановленных видеопотоков по сравнению с стандартными кодеками. Практическая значимость. Предложенные алгоритмы на основе адаптивного косинусного преобразования позволяют, во-первых, уменьшить скорость передачи транспортных видеопоследовательностей в 2–2,5 раза по сравнению с классическим косинусным преобразованием с размером кубов (8×8×8). Во-вторых, существенное сокращение вычислительных затрат при реализации транспортных видеоинформационных систем наблюдения реального времени по сравнению со стандартными кодеками. Результаты работы могут быть рекомендованы специалистам в области кодирования и декодирования видеоинформации для обеспечения необходимой скорости передачи при заданном уровне искажений.
492
Предмет исследования. Рассмотрены проблемные вопросы обеспечения информационной безопасности автономных беспилотных объектов. Раскрыты предпосылки, определяющие необходимость использования внешних систем мониторинга. Показан вид и статистические характеристики используемых для анализа и классификации звуковых сигналов. Метод. Предлагаемый подход анализа состояния информационной безопасности автономного объекта основан на ме- тодах классификации и позволяет идентифицировать текущее состояние на основе обработки оцифрованной акустиче- ской информации. Описан эксперимент, направленный на получение статистической информации о различных видах маневров беспилотного объекта при различном расположении аудиозаписывающего устройства. Полученные данные обрабатывались при помощи двухслойных нейронных сетей прямого распространения с сигмоидальной передаточной функцией в скрытых слоях. Основные результаты. Решена задача идентификации состояния информационной безо- пасности автономных беспилотных объектов на основе обработки акустической сигнальной информации, полученной по побочным каналам. Оцифрованная информация с акустического датчика (микрофона), расположенного статично в зоне проведения эксперимента, была классифицирована более точно, чем с микрофона, расположенного непосредственно на автономном объекте. При минимальном времени накопления статистической информации с использованием предложенного подхода становится возможным выявить различия в выполняемых беспилотным объектом маневрах, а следовательно, и состояние информационной безопасности объекта, с вероятностью, близкой к 0,7. Практическая значимость. Предложенный подход обработки сигнальной информации может быть использован в качестве допол- нительного независимого элемента для определения состояния информационной безопасности автономных объектов беспилотных систем. Подход может быть быстро адаптирован с применением различного математического аппарата и методов машинного обучения для достижения заданного качества вероятностной оценки.
499
Предмет исследования. Выполнено исследование в области поддержки туризма с применением современных информационных технологий. Предметом исследования является интеллектуальная система помощи туристу. Проведен анализ существующих систем поддержки туриста и представлены их достоинства и недостатки. Разработана архитектура системы и представлены детали ее реализации. Был разработан способ генерации туристических оценок для достопримечательностей региона, на базе которых автор провел эксперименты. Метод. Для проведения анализа систем поддержки туриста используется метод описания и сравнительного анализа соответствующих систем. Для создания рекомендаций по посещению достопримечательностей используются методы машинного обучения. Для построения маршрутов среди достопримечательностей используются методы теории графов. Основные результаты. Выделены достоинства и недостатки существующих туристических систем поддержки туриста. Сформулирована сервис-ориенти- рованная архитектура предлагаемой интеллектуальной системы помощи туристу. Описан способ генерации информации о туристическом регионе на основе открытых специализированных источников. Выполнены эксперименты для оценки работы системы помощи туристу. Практическая значимость. Применение результатов исследования позволит разра- ботать интеллектуальную систему помощи туристу, которая удовлетворяет современным требованиям и превосходит существующие аналоги.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА ГИПЕРПАРАМЕТРОВ АЛГОРИТМОВ КЛАСТЕРИЗАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ОБУЧЕНИЯ С ПОДКРЕПЛЕНИЕМ
Муравьёв С. Б., Ефимова В. А., Шаламов В. В., Фильченков А. А., Сметанников . И.
508
Предмет исследования. Исследованы алгоритмы выбора и настройки модели алгоритма в задачах кластеризации, применяемые в машинном обучении. Подробно рассмотрен метод выбора модели, показана необходимость поиска компромисса между исследованием и эксплуатацией, который производится с помощью сведения задачи к задаче о многоруком бандите. Метод. В работе предложен алгоритм одновременного выбора модели и настройки ее гиперпара- метров на основе сведения к задаче о многоруком бандите. Предложены вариации алгоритма, использующие различные способы решения задачи о многоруком бандите, Softmax и UCB1, кроме того, награда определялась разными способами. Основные результаты. Проведенные эксперименты на реальных наборах данных из репозитория UCI позволили под- твердить, что предложенный алгоритм в целом за фиксированное время достигает существенно лучших результатов, чем метод полного перебора, а также позволили определить наиболее успешную вариацию предложенного алгоритма. Практическая значимость. Предложенный алгоритм может быть использован для выбора и настройки модели алго- ритма кластеризации, в нем может использоваться любой алгоритм оптимизации гиперпараметров. Соответственно он может быть применен в широком спектре задач кластеризации, например, в биологии, психологии и при обработке изображений.
516
Предмет исследования. Задача снижения энергопотребления и повышения энергоэффективности является одной из ключевых при проектировании вычислительных систем на кристалле. Основными параметрами, влияющими на энергопотребление, являются тактовая частота и напряжение питания. Определение значения данных параметров при заданных технологических и временных ограничениях является главной целью оптимизации. В работе рассмотрены способы оценки энергоэффективности цифровых интегральных схем, выведен критерий оптимизации для одной из архитектур цифровых блоков. Метод. Предложена методика параметрической оптимизации цифровых интегральных схем для микромеханических датчиков. Методика позволяет оптимизировать параметры вычислительных устройств по критерию минимума энергопотребления. Основные результаты. Приведены результаты апробации методики на при- мере последовательной и мультиконвейерной архитектур цифровых блоков. Практическая значимость. Предложенная методика может быть использована при разработке цифровых интегральных схем для любых технологий изготовления. Она позволяет провести оценку параметров цифровых интегральных схем и провести их оптимизацию в заданных ограничениях.
523
Предмет исследования. Высокоразрядные аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения, в состав которых входит цифро-аналоговый преобразователь с несколькими массивами конденсаторов, обладают зна- чительной нелинейностью. Существующие методы снижения нелинейности прежде всего направлены на уменьшение нелинейности, возникающей в цифро-аналоговом преобразователе, который входит в состав аналого-цифрового преоб- разователя последовательного приближения. Эти методы не являются комплексными и направлены лишь на снижение влияния одного или нескольких факторов, вызывающих нелинейность цифро-аналогового преобразователя. Кроме того, известные подходы применяются лишь на этапе разработки топологии, что приводит к значительным временным затра- там в случае перепроектирования при невозможности достичь требуемой точности аналого-цифрового преобразователя. На основании сказанного можно утверждать об актуальности разработки метода технологически ориентированного синтеза аналого-цифровых преобразователей, позволяющего уменьшать нелинейность преобразования путем учета технологии изготовления на ранних этапах проектирования. Метод. Предложен метод технологически ориентированного синтеза аналого-цифровых преобразователей, позволяющий снизить нелинейность. Основные результаты. Метод по сравнению с известными учитывает особенности технологического процесса на раннем этапе проектирования устрой- ства. Метод был использован при проектировании 18-разрядного аналого-цифрового преобразователя по технологии 350 нм для микромеханического акселерометра. Практическая значимость. Предложенный метод может быть исполь- зован для проектирования высокоразрядных аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения для различных проектных норм.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

531
Предмет исследования. Рассмотрены физические процессы, проходящие внутри чувствительных элементов измерителей угловой скорости и линейного ускорения, на примере волнового твердотельного гироскопа и маятникового акселерометра. Инерционные массы исследуемых чувствительных элементов изготовлены из кварцевого стекла марки КУ-1. Метод. Используя рабочие чертежи чувствительных элементов, проведена их реализация в специализированном программном обеспечении, позволяющем выполнить 3D-моделирование работы приборов при действии различных входных воздействий, что осуществить с использованием реальных приборов не представляется возможным, а аппарат математического моделирования, например, с применением программного комплекса MATLAB, не дает полной картины. Основные результаты. По результатам 3D-моделирования получена визуальная информация о характере движения инерционных масс чувствительных элементов, что позволило скорректировать известные математические модели приборов для последующего анализа в программном комплексе MATLAB с замкнутым контуром управления, так как исследуемые гироскоп и акселерометр являются приборами компенсационного типа с положительной и отрицательной обратной связью соответственно. Также произведен расчет резонансных частот рассматриваемых приборов. Практическая значимость. На данный момент для маятникового акселерометра полученная информация о резонансных частотах позволила провести расчет полосовых фильтров для подавления реакций на возмущения на данных частотах в полосе пропускания прибора, а для волнового твердотельного гироскопа — уточнить рабочую частоту колебаний резонатора.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ИСТОЧНИКА УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ НА РЕАКТОРЕ ВВР-М 
Серебров А. П., Лямкин В. А., Коптюхов А. О., Онегин М. С.
538
Представлены результаты по созданию источника ультрахолодных нейтронов в НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ. Источник имеет три температурные зоны: гелиевую камеру со сверхтекучим гелием при температуре 1,3 К, дейтериевую камеру с жидким дейтерием при температуре 20 К, вакуумный корпус со свинцовым экраном и графитовыми блоками при комнатной температуре. Имеется охлаждение всех этих частей в условиях тепловой нагрузки реактора. Представлены расчеты, связанные с проектированием контуров охлаждения. Аналитически получен массовый расход воды 0,56 кг/с для охлаждения свинцового экрана при объемном тепловом потоке 27 кВт. На основании этого расхода были подобраны насос и теплообменник для автономного контура его охлаждения. При данном тепловом режиме лу- чистый теплоприток от носовой части вакуумного модуля к дейтериевой капсуле составил 24 Вт. Суммарный тепловой поток на дейтериевую капсулу и жидкий дейтерий с учетом реакторного излучения составил 0,3 кВт. Для поддержания фазового состояния дейтерия необходимо термостатирование в температурном диапазоне 18,73–24,12 К. Методом конечных квадратов доказана возможность безопасного поддержания фазового состояния жидкого дейтерия в капсуле объемом 60 л потоком газообразного гелия расходом 50 г/с.
546
Выполнено исследование эффективного метода классификации дорожных знаков на основе сверточной нейронной сети с фильтрами различной размерности. Каждая модель сверточной нейронной сети имеет одинаковую архитектуру, но разную размерность фильтров для сверточного слоя. Исследуемыми размерностями фильтров сверточного слоя являются 3 × 3, 5 × 5, 9 × 9, 13 × 13, 15 × 15, 19 × 19, 23 × 23, 25 × 25 и 31 × 31. В каждом эксперименте входное изо- бражение подвергается операции свертки фильтрами определенной размерности и с определенной глубиной обработки границ изображения, которая прямо пропорционально зависит от размерности фильтров и варьируется в пределах от 1 до 15 пикселей. Характеристики предложенных методов оцениваются с помощью немецкого набора изображений дорожных знаков (GTSRB). Изображения из данного набора были уменьшены в размерности до 32 × 32 пикселей. Весь набор данных с изображениями был разделен на три части: набор для обучения, набор для валидации и набор для тестирования. Влияние размерности фильтров сверточного слоя на извлеченные карты характеристик анализируется в соответствии с точностью классификации и средним временем обработки. Набор данных для тестирования содержит 12000 изображений, которые не принимают участия в обучении сверточной нейронной сети. Результаты экспериментов показали, что каждая из моделей обладает высокой точностью классификации, которая составляет более 82 %. Модели с размерностью фильтров 9 × 9, 15 × 15 и 19 × 19 вошли в первую тройку с лучшими результатами по точности класси- фикации, которая составила 86,4, 86 и 86,8 % соответственно. Модели с размерностью фильтров 5 × 5, 3 × 3 и 13 × 13 вошли в первую тройку с лучшими результатами по средней скорости обработки, которая составила 0,001879, 0,002046 и 0,002364 секунд соответственно. Использование средней размерности фильтров для сверточного слоя показало не только высокую точность классификации более 86 %, но и высокую скорость классификации, что позволяет использо- вать такие модели в приложениях для работы в реальном времени.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

553
На основе анализа действующих форм учета сведений об отказах статистических данных результатов эксплуатации и лабораторных испытаний на безотказность (разработанных на основе государственных стандартов) предложена модифицированная форма и процедура автоматизированной обработки сведений об отказах, предназначенные для информационной поддержки принятия решения в разработке мер, направленных на устранение причин, вызывающих систематические отказы. Предлагаемая форма с категориями отказов и повторяемостью позволит не только обеспечить информационную поддержку в принятии решений о разработке недостающих мер, но и оценить эффективность ранее выполненных доработок. Предлагаемая процедура автоматизированной обработки сведений об отказах ускоряет про- цесс принятия решения на основе автоматизированного расчета показателя повторяемости. Реализация предложенной формы и процедуры обработки статистических данных в системах автоматизированного проектирования позволит не только сокращать сроки разработок корректирующих мер, но и учитывать конструктивные особенности разрываемых изделий, являющихся аналогами прежних разработок, и влияние воздействующих эксплуатационных факторов при создании новых проектов.
557
Предмет исследования. Рассмотрен метод подавления шума музыки в многоканальной записи речевого сигнала, основанный на оценке шумовой маски акустической моделью. Метод применяется для реализации автоматического распознавания речи в условиях шума музыки. Методы. Исследование выполнено с использованием акустической модели, реализованной на искусственных нейронных сетях, и натурных записей, сделанных в условиях реверберации. Основные результаты. Акустическая модель способна оценивать шумовую маску на многоканальной смеси для раз- личных жанров музыки. Применение подобной маски для оценки ковариационной матрицы в алгоритме нацеливания MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) способствует повышению точности распознавания речи минимум на 4,9 % на отрезке значений отношения сигнал-шум 10–30 дБ. Практическая значимость. Метод оценки параметров алгоритма MVDR на основе оценки шумовой маски акустической моделью способствует подавлению нестационарного шума, такого как шум музыки, что увеличивает робастность систем автоматического распознавания речи.
560
Рассмотрены вопросы использования аддитивных технологий в процессе проектирования аппаратуры внутрикорабель- ной связи на современном приборостроительном предприятии. Показано, что использование технологий 3D-печати на принтере Ultimaker 3 позволяет в максимально короткие сроки создать прототипы готовых изделий и произвести выбор подходящего варианта. В результате использования аддитивных технологий трудоемкость этапа проектных работ снижена в 5–6 раз.

РЕЦЕНЗИИ

564
Сведения об авторе публикации   Тертычный (Тертычный-Даури) Владимир Юрьевич, 1954 г. р., окончил в 1977 году математико-механический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ), а в 1980 году — целевую аспирантуру того же факультета. С 1980 по 1983 год работал на математико-механическом факультете (матмех) ЛГУ, с 1983 года и по настоящее время работает в Университете ИТМО. Защита диссертаций проходила на матмех факультете ЛГУ и СПбГУ: кандидатской (1980 г.) и докторской (1994 г). Имеет ученое звание профессора по кафедре высшей математики Университета ИТМО. Им опубликовано свыше 130 научных работ, включая 24 монографии, изданных в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах и издательствах. Области научных интересов: качественная теория дифференциальных уравнений, интегральные и интегродифференциальные уравнения, классическая механика, вариационные методы, неголономные и гироскопические системы, канонические преобразования, нормальные формы, теория устойчивости, синтезируемые колебания, гипердинамика, механика космического полета, хаос, стохастическая неустойчивость и турбулентность, адаптивные, стохастические управляемые системы, теория оптимального управления, фильтрация сигналов, системы с запаздыванием, нейтронная и зарядовая кинетика, ядерная электродинамика, космология, общая и специальная теория относительности, полевые релятивистские квантовые и гравитационные взаимодействия, математическая экономика, биомеханика, робототехника и искусственный интеллект. Удостоен четырех правительственных наград. Дважды становился лауреатом международных премий в области математики.  
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика