Аннотации номера

ОТ РЕДАКЦИИ

471
  Уважаемые читатели и подписчики журнала «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики»!   Уже традиционно журнал предоставляет свои страницы для опубликования лучших работ моло- дых ученых. В апреле 2020 года был проведен очередной Всероссийский Конгресс молодых ученых. На этот раз Конгресс прошел в online формате. В текущем номере журнала часть статей представлена авторами, отмеченными организационным комитетом Конгресса. В рамках программы Конгресса молодых ученых прошли заседания 64 секций по научным направ- лениям, представленным в нашем журнале. Общее количество выступивших участников составило 1621 человек, представляющих более 200 учебных заведений, научных организаций из 60 городов России и Беларуси. Все статьи прошли принятую в редакции процедуру рецензирования.

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

ТЕХНОЛОГИЯ БЛОКЧЕЙН В СЕТЯХ 5G
Беззатеев С. В., Федоров И. Р.
472
В связи с бурным развитием мобильных сетей и ростом подключенных к ним устройств различного типа обеспечение целостности и конфиденциальности передаваемых данных становится первостепенной задачей. Появление криптовалюты повлекло за собой возобновление интереса к технологии блокчейн и возможности ее использования в различных областях. В статье рассмотрены существующие в настоящий момент способы применения технологии блокчейн в сетях 5G с целью решения проблем безопасности, сетевого взаимодействия и повышения производительности, а также для разработки новых направлений, расширяющих возможности сервисов и приложений в сетях пятого поколения. Представлен анализ современных исследовательских работ по интеграции технологии блокчейн и ключевых технологий, применяющихся в мобильных сетях пятого поколения. Особое внимание уделено вариантам применения технологии блокчейн в облачных и граничных вычислениях, программно-определяемых сетях, виртуализации сетевых функций, 5G-слайсинге и прямом взаимодействии устройств. Основываясь на материалах, представленных в обзоре, перечислены возможности, которые технология блокчейн может предоставить мобильным сетям и сервисам 5G за счет использования децентрализованной архитектуры и алгоритма умного контракта. Основное внимание в материалах предлагаемого обзора уделено трем основным аспектам: повышению безопасности передаваемой информации, повышению производительности системы и управлению ресурсами. Статья может быть полезна специалистам и научным сотрудникам, работающим в области информационной безопасности мобильных сетей пятого поколения, а также для экспертов в сфере технологии блокчейн в качестве актуального обзора различных вариантов применения технологии блокчейн в сетях пятого поколения.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

485
Предмет исследования. Впервые с помощью численных методов исследован лазерный нагрев титансодержащего оптотермического волоконного конвертера и стенки вены, а также эффект термического повреждения стенки вены в процессе эндовазальной лазерной коагуляции с различной средней мощностью излучения 980 нм полупроводникового лазера и скоростью тракции конвертера внутри вены. Метод. Сформулированы модели и условия для численного моделирования оптических и теплофизических процессов, происходящих при эндовазальной лазерной коагуляции вен с использованием титансодержащего оптотермического волоконного конвертера. При оптическом моделировании применялся метод Монте-Карло. При теплофизическом моделировании методом конечных разностей проанализирована начально-краевая задача для нелинейной модели радиационно-кондуктив- ного переноса тепла с движущимися источниками излучения. Эффект термического повреждения стенки вены оценен в результате решения уравнения Аррениуса. Основные результаты. Титансодержащий оптотермиче- ский волоконный конвертер может быть использован для эндовазальной лазерной коагуляции вен излучением с длиной волны 980 нм и средней мощностью до 20 Вт. Лазерное излучение практически полностью поглощается конвертером. При одновременной подаче лазерного излучения и начале тракции температура стенки вены не сразу достигает максимального значения, время ожидания может достигать единиц и даже десятков секунд. Температура внутри конвертера превышает 250 °С. Определены оптимальные комбинации средней мощности лазерного излучения и скорости тракции титансодержащего конвертера, необходимые для равномерной коагуля- ции стенки вены. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов и устройств лазерной техники для эндовазальной лазерной коагуляции вен.
494
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования структуры волокон- но-оптического рассеивателя, сформированного путем плавления сердцевины оптического волокна. Метод. Продемонстрирована оптическая схема иттербиевого волоконного лазера, основными компонентами которого являются: лазерный диод накачки (980 нм, мощностью до 30 Вт), активное GTWave волокно длиной 24 м, а также две волоконные брэгговские решетки с коэффициентами отражения 100 % и 30 %. Представленный иттербиевый источник излучения используется для формирования периодической структуры микрополостей внутри сердцевины волоконного световода с помощью эффекта плавления материала. Применение описанной технологии позволяет создавать рассеивающие структуры с заданным периодом, не прибегая к снятию защитного акрилатного покрытия световода. Это исключает необходимость повторного покрытия оптического волокна полимерным составом и способствует сохранению его прочностных характеристик. Основные результаты. Разработанная в ходе исследования экспериментальная установка позволяет с помощью воздействия лазерного излучения осуществить запись рассеивающей структуры в сердцевине оптического волокна путем разрушения материала. С целью определения зависимости свойств создаваемых структур от мощности вводимого излучения получен ряд исследуемых образцов, записанных при различных характеристиках воздействующего излучения. Экспериментальным путем установлено, что при увеличении мощности лазерного излучения уменьшается период локализации микрополостей. Вместе с тем их размеры уменьшаются, и увеличивается однородность структуры. Установлено оптимальное значение мощности излучения для формирования рассеивающей структуры, которое составляет порядка 2 Вт. Практическая значимость. Исследуемые рассеивающие структуры могут быть применены в медицинских исследованиях, лазерной фотодинамической терапии, лазерной кардиостимуляции, флуоресцентной диагностике, а также в качестве подсветки при малоинвазивных операциях. Волоконно-оптический рассеиватель может находить применение в качестве датчика физических величин, в частности, для измерения высоких температур, поскольку верхний предел рабочей температуры рассеивателя сопоставим с температурой плавления кварцевой части оптического волокна.
500
Предмет исследования. Исследованы различные методы выведения оптического излучения из сердцевины световода в его оболочку с целью создания горячей проволоки волоконно-оптического анемометра, а также проведена оценка эффективности описанных методов путем анализа построенных зависимостей. Метод. Рассмотрены структуры из двух оптических волокон, одно из которых использовалось для передачи информационного сигнала, а второе — для создания горячей проволоки. В сердцевине первого волокна формировалась волоконная решетка Брэгга, а во втором волокне создавалась область выведения излучения; указанные участки волокон совмещались друг с другом и фиксировались с помощью оловянно-свинцового сплава. Измерение температуры осуществлялось путем мониторинга спектральных характеристик волоконных брэгговских решеток, записанных методом фазовой маски. Области выведения излучения формировались либо за счет изменения геометрии волокна путем использования настраиваемых режимов сварочного аппарата, либо созданием пе- рехода SMF-MMF-SMF. Основные результаты. Разработаны структуры с возможностью их использования в качестве горячей проволоки чувствительного элемента волоконно-оптического анемометра. Получены зависимости сдвига длины волны брэгговского резонанса от мощности лазера накачки: в результате создания горячей проволоки сдвиг длины волны Брэгга варьировался в диапазоне 0,15–3 нм. Построены результирующие кривые по трем экспериментам для каждого вида структуры с учетом среднего квадратичного отклонения, позволяющие судить об эффективности различных методов выведения излучения, также представлен сравнительный анализ исследуемых методов между собой. Практическая значимость. Исследование отражает возможности волоконно-оптической анемометрии при создании точечных и распределенных сенсоров. Результаты данной работы могут быть использованы в областях, в которых необходимо создание квази-распределенных и точечных рассеивателей, а также частичное или полное выведение излучения из световода.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕГО ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ НА СДВИГ ФАЗЫ В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ САНЬЯКА
Мухтубаев А. Б., Аксарин С. М., Никитенко . ., Дейнека И. Г., Алейник А. С.
507
Предмет исследования. Исследовано влияние изменения относительного давления на величину Н-параметра в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4 и в контуре Саньяка диаметром 140 мм и длиной 700 м. Также проанализировано влияние изменения относительного давления на сдвиг фазы в интерферометре Саньяка. Метод. Для оценки H-параметра применен метод широкополосной интерферометрии. Использован поляризационный сканирующий интерферометр Майкельсона с широкополос- ным источником с центральной длиной волны 1560 нм и полушириной спектра 45 нм. Относительное давление изменялось в специальной барокамере в диапазоне от –80 кПа до +300 кПа. Основные результаты. Выявлено, что при изменении относительного давления возникают случайные скачки фазы в интерферометре Саньяка. При нормальных условиях такие случайные скачки фазы не наблюдаются. Также показано, что влияние повышенного относительного давления на сдвиг фазы Саньяка более ярко выражено, чем влияние пониженного относитель- ного давления: частота скачков фазы больше в случае повышенного относительного давления. Практическая значимость. Анализ результатов исследования акцентирует внимание на задаче качественной намотки и укладки двулучепреломляющего оптического волокна в контуре Саньяка, что позволит повысить точностные характе- ристики волоконно-оптических датчиков на основе интерферометров Саньяка.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

515
Предмет исследования. В работе исследовано влияние введения хлоридов в состав фото-термо-рефрактивно- го стекла на спектральные свойства наночастиц серебра, сформированных в ионообменном слое в результате термообработки. Метод. Для исследования были синтезированы стекла, представляющие собой матрицу на основе Na2O–ZnO–Al2O3–SiO2–F, легированные оксидом сурьмы Sb2O3, церия CeО2 и переменным содержанием хлоридов (0–1 мол.%). Серебро вводилось методом низкотемпературного Na+–Ag+ ионного обмена, для чего образцы стекла погружались в смесь нитратов AgNO3/NaNO3, содержащем 0,1 мол.% AgNO3 при температуре 320 °С в течение 15 мин. Для формирования наночастиц серебра стекла после ионного обмена облучились ультрафиолетовым излучением с последующей термообработкой при температурах 500 °С длительностью до трех часов. Основные результаты. В работе изучены cпектральные свойства хлоридного фото-термо-рефрактивного стекла, легированного оксидом сурьмы Sb2O2, церия CeО2, и переменным содержанием хлоридов с наночастицами серебра в ионообменных слоях. Обнаружено, что c увеличением концентрации хлора в матрице фото-тер- мо-рефрактивного стекла выявлен длинноволновый сдвиг полосы поглощения наночастиц, связанный с ростом смешанной оболочки AgCl/NaCl на наночастицах серебра. Формирование наночастиц серебра в ионообменных слоях происходит как в облученной, так и необлученной области стекла. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы для создания брэгговской решетки внутри фото-термо-рефрактивного стекла для ввода и вывода излучения (накачки и сигнала) в волноводные структуры, образованные ионообменным методом, для создания монолитных интегральных оптических элементов на одной подложке, что очень важно для интегральной оптики.
520
Предмет исследования. Исследованы спектрально-люминесцентные характеристики ионов эрбия в бромидно- фторидных фото-термо-рефрактивных стеклах с концентрацией оксида эрбия 0,1 мол.% и иттербия 1–2 мол.%. Спектроскопические параметры, такие как сечения вынужденного излучения ионов эрбия на длине волны   1,5 мкм, эффективность переноса энергии с ионов иттербия на ионы эрбия и квантовый выход, рассчитаны на основе измеренных спектров поглощения в данных стеклах. Спектры усиления/потерь ионов эрбия в инфра- красном диапазоне рассчитаны для разных значений инверсии населенности. Методы. Бромидно-фторидные фото-термо-рефрактивные стекла синтезированы в электрической печи при температуре 1480 °С в течение 5 ч на воздухе. Для определения спектроскопических параметров интенсивности использована теория Джадда– Офельта. Спектры усиления получены с помощью теории МакКамбера. Основные результаты. Установлено, что сечение вынужденного излучения ионов эрбия на длине волны 1,5 мкм является типичным для эрбия в силикатных стеклах. Квантовый выход излучения на той же длине волны достигал 95 %, а эффективность переноса энергии составила 86 %. Коэффициент усиления имел положительное значение, когда параметр инверсии населенности был более 0,5. Практическая значимость. Бромидно-фторидные фото-термо-рефрактивные стекла, активированные ионами эрбия и иттербия, имеют сопоставимые спектрально-люминесцентные характеристики с коммерческими лазерными силикатными стеклами. Кроме того, в них возможна запись высокоэффективных брэгговских решеток. Таким образом, эти стекла могут быть перспективными для создания на их основе лазеров с распределенной обратной связью, которые имеют сверхузкие линии генерации.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

525
Предмет исследования. Предложено одно из решений автоматического анализа и распознавания жестов рук человека. Распознавание элементов жестовых языков является актуальной задачей в современном информаци- онном мире. Проблема эффективности распознавания жестов не решена из-за наличия культурных различий жестовых языков мира, различий в условиях показа жестов. Проблема усложняется небольшим размером пальцев рук. Метод. Представленный метод основан на анализе последовательностей кадров видеопотока, получаемого с помощью оптической камеры. Для обработки полученных видеопоследовательностей предложено использовать карту глубины и комбинации современных классификаторов на основе архитектур глубоких нейронных сетей Single Shot MultiBox Detector с уменьшенной моделью сети ResNet-10, NASNetMobile и LSTM. Основные результаты. Эксперименты по автоматическому видеоанализу движений рук и распознаванию жестов в режиме реального времени показали большие возможности предложенного метода для задач человеко-машинного взаимодействия. Точность распознавания 48 одноручных жестов на базе данных TheRuSLan составила 79 %. Это является лучшим результатом по сравнению с другими подходами к решению данной проблемы. Практическая значимость. Результаты работы могут использоваться в автоматических системах распознавания жестовых языков, а также в тех ситуациях, когда необходимо бесконтактное взаимодействие различных групп пользователей, включая людей с ограниченными возможностями по слуху и зрению, с мобильными информационными роботами посредством автоматического распознавания жестовой информации.
532
Предмет исследования. Рассмотрены современные подходы к решению задачи мультиклассовой классификации намерений. Под намерением пользователя понимаются входящие пользовательские запросы при взаимодействии с голосовыми помощниками и чат-ботами. Алгоритм должен определить, к какому классу относится обращение. Современные технологии, такие как трансферное обучение и трансформеры, значительно улучшают результаты мультиклассовой классификации. Метод. В исследовании использован метод сравнительного анализа моделей. В свою очередь, каждая модель встроена в общий конвейер для подготовки, очистки данных и обучения модели, но с учетом ее конкретных требований. Для сравнения были выбраны современные модели, которые используются в реальных проектах: логистическая регрессия + TF-IDF; логистическая регрессия + FastText; LSTM + FastText; Conv1D + FastText; BERT; XLM. Последовательность моделей соответствует их историческому происхождению, но на практике эти модели используются независимо от времени их появления, а в зависимости от эффективности решаемой проблемы. Основные результаты. Выполнено исследование эффективности моделей мультиклассовой классификации на реальных данных. Представлены результаты сравнения современных практических подходов. В частности, XLM подтверждает превосходство трансформеров над другими подходами. Выдвинуто предположение, по какой причине трансформеры показывают такой отрыв. Описаны преимущества и недостатки современных подходов. Практическая значимость. С практической точки зрения результаты этого исследования могут быть использованы для проектов, которые требуют автоматической классификации намерений, как части сложной системы (голосового помощника, чат-бота или другой системы), а также как самостоятельной системы. Пайплайн, разработанный во время исследования, можно использовать для сравнения и выбора наиболее эффективной модели для конкретных наборов данных как в научных исследованиях, так и в производстве.
539
Предмет исследования. Исследованы способы и подходы к реализации современной криптосистемы Мак-Элиса, построенной на сепарабельных обобщенных (L, G)-кодах. Метод. На основе анализа известных общедоступных источников по реализации современной криптосистемы Мак-Элиса предложен метод, который позволяет использовать обобщенные (L, G)-коды с нумераторами степени больше или равной второй без использования расширенного поля. Основные результаты. Разработаны подходы к реализации современной криптосистемы Мак-Элиса, построенной на обобщенных (L, G)-кодах, а именно: построение проверочной матрицы обобщенного (L, G)-кода, использующего сепарабельный многочлен Гоппы и нумераторы различных степеней; описан подход к реализации шифрования и расшифрования сообщений в современной криптосистеме Мак-Элиса; описан способ использования процедуры Ченя для нумераторов степени второй и выше без расширения поля. Практическая значимость. Предложенные способы можно применять в разработке криптографических систем, способных противостоять атакам с использованием квантовых компьютеров, что позволит обеспечить конфиденциальность данных, а также улучшить безопасность и производительность криптосистем. Областью применения результатов работы также могут являться аэрокосмические, автомобильные, железнодорожные, сетевые мультимедийные, телекоммуникационные и мобильные системы защиты информации.
ЗАДАЧА НОРМАЛИЗАЦИЙ СЛОВ КАЗАХСКОГО ЯЗЫКА
 
Рахимова Д. Р., Турганбаева А. О.
545
Предмет исследования. Рассмотрены модели и существующие алгоритмы нормализации слов естественных языков. Описаны алгоритмы автоматического выделения основ для ряда естественных языков и возможные пути синтеза нормальной формы слова для казахского языка. Цель. Создание полной классификации системы окончаний для казахского языка. Разработка алгоритма нормализации слов на основе предложенного подхода классификации окончаний и суффиксов. Методология. Проведен анализ словообразования с помощью окончаний для всех частей речи казахского языка, на основе выполненной работы представлена классификация окончаний и суффиксов. Рассмотрены возможные варианты размещений типов окончаний и суффиксов. Общее количество возможных суффиксов составляет 26 526 единиц, окончаний – 3 565 единиц. Все приведенные типы являются лексически и семантически допустимыми, но некоторые из них не применяются. В базу аффиксов добавлены только те, которые наиболее часто применяются. С помощью множеств представлено, в каком порядке к основе добавляется аффиксы. Это нужно для того, чтобы правильно выделить основу. В работе не рассматриваются словообразующие суффиксы, так как они меняют основу слова и контекст значения. В основном к существительным добавляются словообразующие суффиксы. Основные результаты. Разработана полная система классификации окончаний и суффиксов казахского языка. Построены детерминированные конечные автоматы для различных частей речи с использованием всевозможных вариантов добавления суффиксов и окончаний с учетом морфологических и лексических свойств грамматики казахского языка. Разработан алгоритм стеминга с использованием разработанной системы классификации окончаний казахского языка. Реализована система нормализации, доказывающая работоспособность разработанного алгоритма без словаря. Алгоритм протестирован на корпусе казахского языка. В заданном корпусе изначально были убраны знаки пунктуации и стоп-слова. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при анализе текста, нормализации (лемматизации) текста, а также в информационно-поисковых системах, в машинном переводе казахского языка и других прикладных задачах.
552
Предмет исследования. Обнаружение дефектов изделия является современной и сложной задачей в сфере аддитивных технологий. Данная процедура позволяет сократить расходы на время и материалы, предотвращает причины возникновения брака. В связи с этим автоматизация контроля качества поверхности изделий 3D-печати является необходимым этапом изготовления как для крупных производственных предприятий, так и для частных пользователей. Предложен метод контроля качества изделий при 3D-печати на основе анализа изображений их поверхности с применением алгоритмов машинного обучения. Метод. Изображения изделий, полученных при 3D-печати, формируются и обрабатываются на установке, включающей видеокамеру и одноплатный микрокомьютер. Метод обнаружения дефектов на поверхности изделий основан на применении алгоритмов предварительной обработки изображения, последующего машинного обучения и метода опорных векторов. Основные результаты. Предложенный метод позволяет обнаруживать и классифицировать дефекты вида «избыточная экструзия» и «недостаточная экструзия» на поверхности изготавливаемых объектов с высокой точностью. Практическая значимость. Применение разработанного метода обеспечивает упрощение процедуры 3D-печати как для частных пользователей устройств, так и для предприятий, которые изготавливают или используют данный вид устройств, за счет облегчения настройки параметров, сохранения отчетности о параметрах изделия, удобства и скорости решения проблем, возникших в ходе печати. Разработанный метод визуального контроля качества поверхности изделий 3D-печати может принести существенную пользу в расширении возможностей автоматизации процесса быстрого прототипирования и вывести его на новый уровень.
560
 В настоящее время все больше задач по обработке и анализу изображений решаются с использованием сверточных нейронных сетей. Сети, реализованные с использованием высокоуровневых языков программирования, библиотек и фреймворков невозможно использовать в системах реального времени, например, для обработки потокового видео в вычислительной системе автомобиля, из-за низкой скорости и энергоэффективности таких реализаций. Для подобных задач необходимо использовать специализированные аппаратные ускорители нейронных сетей. Проектирование таких ускорителей является сложным итеративным процессом, требующим узкоспециализированных знаний и квалификации. Это делает актуальным вопрос создания средств автоматизации высокоуровневого синтеза подобных вычислителей. Целью исследования стала разработка средства автоматизированного синтеза нейросетевых ускорителей из высокоуровневой спецификации, позволяющего снизить время разработки таких ускорителей для устройств программируемой логики. В качестве высокоуровневой спецификации используется описание сетей, которое можно получить с помощью фреймворка TensorFlow. Проведено исследование нескольких стратегий оптимизации структуры сверточных сетей, способов организации вычислительного процесса и форматов представления данных в нейронных сетях и их влияния на характери- стики получаемого вычислителя. Показано, что оптимизация структуры полносвязных слоев нейронной сети на примере решения задачи распознавания рукописных цифр из набора MNIST сокращает количество параметров сети на 95 % с потерей точности около 0,43 %, конвейеризация вычислений ускоряет расчет в 1,7 раз, а благодаря распараллеливанию отдельных частей вычислительного процесса достигается ускорение почти в 20 раз, хотя на это и требуется в 4–6 раз больше ресурсов программируемых логических интегральных схем. Переход в вычислениях от чисел с плавающей точкой к числам с фиксированной точкой позволяет сократить используемые ресурсы в 1,7–2,8 раз. Проведен анализ полученных результатов, и предложена модель инструментального средства автоматизированного синтеза, которая позволяет выполнить обозначенные оптимизации с целью удовлетворения предъявляемых требований по быстродействию и используемым ресурсам при реализации нейросетевых ускорителей на микросхемах программируемых логических интегральных схем.
568
Предмет исследования. Исследованы механизмы организации резервированных многопутевых передач в компьютерных сетях. Метод. Разработан протокол прикладного уровня, позволяющий увеличить вероятность своевременной и безошибочной доставки данных в компьютерных сетях, функционирующих в условиях ограничений на время доставки, за счет использования резервированных многопутевых передач копий пакетов по разным каналам связи. Основные результаты. Разработан протокол, работающий поверх UDP и позволяющий выполнять резервированные многопутевые передачи. Исследование эффективности предложенного решения базируется на имитационном моделировании в среде OMNeT++. Разработаны модели предложенного протокола и компьютерной сети с возможностью резервированных передач. Проведены эксперименты и определены области эффективного использования разработанного протокола. В качестве критерия эффективности выбран мультипликативный критерий, отражающий запас времени безошибочно и своевременно переданных пакетов. Разработанный протокол показал эффективность при различных сценариях работы, в которых варьировались кратность резервирования и интенсивность поступления пакетов. Практическая значимость. Разработанные в данной работе алгоритмы и механизмы могут быть использованы для программной реализации протокола, осуществляющего резервированные многопутевые передачи с целью использования его в киберфизических системах реального времени.
576
Предмет исследования. В работе предложен подход к разработке ядра системы числового программного управления, который подразумевает формирование программного обеспечения из отдельных модулей-блоков, взаимодействующих по унифицированному программному интерфейсу с высоким уровнем детализации, что позволит получить требуемую систему в короткие сроки. Рассмотрена возможность применения доступных открытых систем числового программного управления в качестве основы, что позволит еще больше сократить сроки проектирования. Разработка системы числового управления рассматривается в контексте ее применения на универсальном модульном оборудовании. Метод. Предлагаемое решение основано на многопротокольной системе управления и обеспечивает возможность объединения программных и аппаратных компонентов разных производителей. Также обеспечивается независимость от конкретной платформы. Данная методика позволяет быстро формировать требуемую систему числового программного управления для любого типа обработки или других операций согласно требованиям аппаратной части, а также оставляет широкие возможности для дальнейших модификаций, повышающих эффективность работы оборудования. Результаты. В рамках практической части работы получена программная библиотека планирования траектории инструмента, включающая анализ геометрии, контроль скорости и интерполяцию. Команды для управления выходами и состоянием вхо- дов интегрированы в циклические данные управления приводом и передаются через единый интерфейс. Все полученные модули сформированы независимо, что позволяет встраивать их в другие системы с открытым кодом, а также в дальнейшем модифицировать их для повышения эффективности обработки. Практическая значимость. Работа направлена на повышение экономической независимости малых проектных организаций и предприятий. Предложенный модульный подход в короткие сроки позволит создавать требуемое программное обеспечение для применения его на универсальном модульном оборудовании, что существенно расширит воз- можности быстрого прототипирования и обеспечит оперативное создание опытных партий.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

584
Рассмотрено решение обратной задачи теплопроводности путем параметрической идентификации дифференциально-разностных моделей теплопереноса в одномерных телах. Дифференциально-разностная модель представляет собой систему дифференциальных обыкновенных уравнений первого порядка относительно вектора состояния. При этом решаются прямая и обратная задачи теплопроводности, а для минимизации функции невяз ки между измеренными и модельными значениями параметров используется алгоритм рекуррентного цифрового фильтра Калмана по параметрам. В работе рассматривается его применение для решения двух определенных задач, а именно: оценивание и планирование эксперимента по восстановлению граничных условий теплооб- мена системы тел. При планировании эксперимента, либо при натурных исследованиях, вначале проводится параметризация задачи, а затем параметрическая идентификация. Для определения доверительной области измерения искомых параметров используется матрица Грама (информационная матрица Фишера), составляющими которой являются функции чувствительности, отражающие все значимые факторы теплометрии: вид теплопереноса в системе, количество и место расположение точек измерения температуры, качество каналов регистрации измеряемых величин, особенности входных воздействий, участок измерений по времени и количество моментов времени измерений на этом участке и др. В статье приводится пример применения фильтра Калмана, рассмотрен батарейный преобразователь нестационарного теплового потока, для которого проведено построение дифференциально-разностной модели, показаны результаты восстановления нестационарного теплового потока, меняющегося по произвольному закону, и установлены доверительные области искомых параметров.
589
Предмет исследования. Рассмотрена проблема выбора изоляционного материала для глубоководного датчика индукционного лага. Исследовано влияние характеристик изоляционного материала на эксплуатационные характеристики датчика. Метод исследования. При анализе влияния конструктивных параметров на инстру- ментальную погрешность датчика использована программа MATLAB, в которой построена математическая модель составляющей инструментальной погрешности и проведена ее оценка. Моделирование напряженно-деформированного состояния датчика проведено методом конечных элементов в пакете прикладных программ ANSYS Workbench. Анализ отслаивания изоляционного материала от корпуса при усадке выполнен в модуле Static Structural. Моделирование заливки проведено в модуле Fluid Flow. При расчетах все материалы приняты изотропными. Основные результаты. Показано влияние характеристик изоляционного материала на величину инструментальной погрешности датчика индукционного лага. Описаны конструкторско-технологические проблемы выбора изоляционного материала. Приведены рекомендации по выбору конструктивных параметров для уменьшения отслаивания материала и возникновения пустот датчика, образовывающихся при заливке ком- позиционным материалом. Обоснованность рекомендаций подтверждена компьютерным моделированием и испытаниями. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть применены при модернизации, проектировании и конструировании новых индукционных датчиков скорости.
595
Представлен анализ работоспособности изотермических хранилищ сжиженного природного газа в условиях речной навигации. Исследовано влияние конструктивных и технологических решений на безопасность и рен- табельность использования сжиженного природного газа в качестве альтернативы нефтепродуктам. Методика заключается в моделировании криогенного хранилища на основании уравнения энергии паровой и жидкой фракции и проведении сопоставительного анализа нескольких вариантов транспортирования сжиженного природного газа речным транспортом. Получены данные о взаимосвязи толщины изоляции и степени заполнения танка, влияющие на транспортные характеристики. Выявлено, что транспортирование сжиженного природного газа в хранилищах с газозаполненной изоляцией технически возможно и удовлетворительно при комбинировании оптимальной величины удельного объема криогенной жидкости в резервуаре и достаточной толщины тепло- изоляции. Полученные результаты могут найти применение в разработках автономных плавучих контейнеров с большой толщиной изоляции, которые будут буксироваться по рекам без использования судов-носителей
603
Предмет исследования. Предложена модель испарения сжиженного природного газа, хранящегося в резерву- арах регазификационных терминалов, объединяющая строгую термодинамическую модель парожидкостного равновесия и реалистичную модель теплопередачи. Проведен анализ влияния исходного состава и запаса сжиженного природного газа, исходного содержания азота и значения наружной температуры воздуха на скорость испарения смеси. Метод. Численный эксперимент с использованием математической модели процесса испарения сжиженного природного газа основан на данных о составе сжиженного природного газа и времени его хранения в надземных резервуарах. Предложенный метод обеспечивает ряд преимуществ в сравнении с ранее разработан- ными моделями: поступление теплоты в низкотемпературную часть резервуара для хранения рассчитывается с учетом величины температуры наружного воздуха и состава сжиженного природного газа; коэффициент ис- парения не является входным параметром, а рассчитывается как часть моделирования; плотность сжиженного природного газа рассчитывается с использованием экспериментальной корреляции. Основные результаты. Важным параметром при оценке потерь сжиженного природного газа от его испаряемости является содержание в жидкости азота, который испаряется с большей скоростью, чем основной компонент смеси — метан. Анализ влияния исходного состава на скорость испарения сжиженного природного газа показал, что рост содержания азота в исходной смеси вызывает заметное снижение скорости испарения в связи с первоочередным испарением азота и, как следствие, увеличением скрытой теплоты парообразования смеси. Анализ величины исходного запаса сжиженного природного газа на темп испарения показал, что большая степень заполнения резервуара вызывает опережающее снижение потерь от испаряемости. Результатом является более ранее снижение количества отпарного газа для более заполненного резервуара. Анализ влияния температуры наружного воздуха на темп испарения смеси показал, что изменение температуры окружающей среды на 1 °C приведет к снижению количества отпарного газа на 0,2 %. Практическая значимость. Использование предложенной математической модели процесса испарения сжиженного природного газа позволит снизить образование отпарного газа при длительном хранении, сохранить исходное качество сжиженного природного газа, оптимизировать эксплуата- ционные параметры регазификационных терминалов, обеспечить надежность поставки высококачественного природного газа потребителям.
611
Предмет исследования. Композиты — уникальные материалы, сочетающие в себе легкость и прочность, что делает их востребованными на рынке материалов для промышленного производства. Математическое моде- лирование данных материалов необходимо для прогнозирования их деформаций под различными нагрузками. Предложен бессеточный метод математического моделирования анизотропных композитных материалов, основанный на представлении их в виде метачастиц с эластичными связями. Особенностью предложенного метода является применение единых уравнений для мультимасштабного моделирования: на микромасштабе (одно волокно и элементарный объем наполнителя) и макромасштабе (сечение целого композитного элемента). Метод. Методика расчета заключается в применении интегрирования по времени методом Верле для определения смещений частиц с последующим решением системы уравнений для эластичных связей, используя вычисленные ранее значения масс и жесткостей. Метод позволяет оценить динамику деформации композитного материала во времени под действием прикладываемой нагрузки. Код для решения уравнений упругой динамики и визуализации результатов написан на JavaScript без сторонних библиотек. Основные результаты. С использованием предложенного метода смоделированы упругие деформации упрощенной двумерной модели углепластика (на основе смеси эпоксидной и полиэфирной смол в качестве наполнителя) под действием статичной механической нагрузки на прогиб. Расчеты для композита производились на микро- и макромасштабах с разным направлением укладки волокон: углы 0 и 90°. Выбран плоский тип укладки. Результаты расчетов верифицированы в программной среде ANSYS Composite PrepPost, реализующей метод конечных элементов. Совпадение результатов расчетов методом метачастиц и МКЭ составило 89 %. Практическая значимость. Разработанный решатель может использоваться для прогнозирования деформаций композитных материалов при моделировании на микро- и макромасштабах.
617
Предмет исследования. Предложена методика фильтрации измерений мышечной активности для мобильного программно-аппаратного комплекса интерференционной электромиографии. Рассмотрен метод повышения динамического диапазона измерений за счет увеличения разрядности аналогово-цифрового преобразования для повышения точности и диапазона распознавания мышечной активности. Метод. Разработана модель фильтра сигналов от датчиков для контроллера мышечной активности в программном пакете Proteus Design Suite. Фильтр несущей составляющей сигнала на основе RC-фильтра высоких частот обеспечивает отвязку блока измерения от опорного напряжения датчика. Активный фильтр низких частот усиливает сигнал от датчика и фильтрует шумы выше диапазона частот сигналов мышечной активности. Основные результаты. Фильтрация несущей составляющей сигнала и повышение порядка фильтра низких частот, в моделировании показали положительные результаты. Приведены графики амплитудно-частотных характеристик и схемы моделей без RC-фильтра и с ним, с активным фильтром низких частот первого порядка и активным фильтром низких частот второго порядка. На основе методики фильтрации измерений мышечной активности разработана электрическая схема блока усиления для контроллера мышечной активности. Полученные результаты применены для модернизации прототипа мобильного программно-аппаратного комплекса интерференционной электромиографии. Практическая значимость. Областью применения разрабатываемого комплекса может быть система измерения и регистрации мышечной активности для сопровождения процесса реабилитации при движении пациентов с травмами и нарушениями работы опорно-двигательного аппарата. Данный комплекс может быть применен в различных нейрофизиологических исследованиях, где требуется отслеживание динамики мышечной активности в процессе движения обследуемого.
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика