Аннотации номера

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

443
Предмет исследования. В современных крупноапертурных оптических системах слежения за астрономическими объектами широко внедряется технология бистатических схем, в которых лазер, а также главный и вспомогательный телескопы пространственно разнесены. Это требует принятия дополнительных мер при юстировке оптических осей телескопов, особенно при сопровождении низкоорбитальных космических объектов. Выбор бистатических схем в астрономических телескопах обусловлен проблемой «неопределенности наклона», свойственной моностатическим схемам формирования лазерной опорной звезды. Эта проблема вызвана трудностями или невозможностью определения наклона волнового фронта при дрожании лазерной опорной звезды в плоскости изображения. В работе рассмотрена моностатическая схема построения наземных адаптивных оптико-электронных систем. В данной схеме совмещены оптические оси лазера, генерирующего лазерную опорную звезду, и телескопа, служащего для получения изображения космических объектов посредством устранения фазовых возмущений атмосферы по излучению лазерной опорной звезды. Метод. Предложенный метод определения наклона волнового фронта в моностатической схеме основан на анализе математических выражений для дисперсий дрожания наклонов изображений лазерной опорной звезды и космического объекта. Рассмотрен случай, когда диаметр приемной апертуры телескопа значительно больше диаметра апертуры лазера. Подход базируется на высокой коррелированности мгновенных значений наклонов лазерного луча и принимаемого пучка от естественной звезды, передаваемых навстречу друг другу. При наблюдении низкоорбитальных малоразмерных космических объектов и лазерных опорных звезд предполагается, что они находятся в зоне Френеля приемной апертуры оптико-электронной системы и в пределах угла изопланатизма атмосферы, определяемого в рамках изотропной и локально-однородной модели турбулентности атмосферы. Основные результаты. Представленное решение позволяет определить значение мгновенного угла наклона изображения малозаметного космического объекта в фокальной плоскости приемной апертуры телескопа на основе измерения мгновенного угла наклона реально наблюдаемого изображения лазерной опорной звезды. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке наземных адаптивных оптико-электронных систем слежения за низкоорбитальными малоразмерными космическими объектами.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

449
Предмет исследования. Исследована применимость процедуры расширения и смешивания регрессора (DREM, Dynamic Regressor Extension and Mixing) для идентификации интервально заданных параметров линейной регрессии. В отличие от известных работ, показано, что применение базовой процедуры DREM в задаче идентификации интервально-заданных параметров приводит к генерации на некоторых интервалах времени скалярных возмущенных регрессий, что существенно ухудшает качество получаемых оценок. Метод. Для решения обнаруженной проблемы предложен новый подход к динамическому расширению регрессора, основанный на интервальной интегральной фильтрации с экспоненциальным забыванием и сбросом. Основные результаты. Предложена модифицированная процедура DREM, которая, в отличие от базовой, позволяет генерировать скалярные регрессии с регулируемым уровнем возмущения. В рамках численных экспериментов по идентификации интервально заданных параметров подтверждено: полученное описание возмущенных скалярных регрессий, наличие выбросов по оценкам параметров таких регрессий при применении градиентного и FCT-D-контура (Finite Convergence Time DREM), а также показана возможность регулирования величины выбросов по оценкам при использовании разработанной модифицированной процедуры DREM. Практическая значимость. Процедура может быть применена в задачах построения систем идентификации и адаптивного управления.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

457
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования морфологии тонких микро- и нанопористых пленок серебра и меди, синтезированных с использованием реакции замещения. Метод. Синтез пленок серебра осуществлен путем погружения полированных пластин из меди марки М1 в раствор азотнокислого серебра. Пленки меди погружались в раствор медного купороса подложек из электролитического железа, а также из железа, покрытого путем вакуумного напыления слоем олова толщиной 5 мкм. Изучение морфологии синтезированных пленок выполнено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Основные результаты. Исследования показали, что через 2 с после начала реакции на подложках формируются металлические пленки толщиной примерно 1 мкм, которые состоят из кристаллических микро- и нанодендритов. Пленки из серебра содержат кристаллические пластины серебра с поперечным размером до 2 мкм. При увеличении продолжительности реакции происходит уплотнение слоя металла. Минимальный размер пор при этом составляет 20 нм. Практическая значимость. Синтезированные пленки могут служить основой для создания микро- и наноструктур полупроводник-металл, предназначенных для фотокаталитического разложения воды. Пленки могут быть использованы в био- и химических сенсорах для усиления рамановского рассеяния.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

463
Применение сложных крупномасштабных научных приложений упрощается в случае их обработки в облачной среде. Дальнейшее развитие облачных технологий связано с решением ряда новых проблем. Центральной темой парадигмы облачных вычислений является планирование рабочих процессов с использованием биоинспирированных метаэвристических алгоритмов. NP-полная задача (NP-completeness) привлекает исследователей к поиску оптимального решения с использованием роевого интеллекта. В работе представлены систематизированный анализ и оценка метаэвристических алгоритмов, таких как генетический (Genetic Algorithms, GA), китовый (Whale Search Algorithm, WSA), муравьиный (Ant Colony Optimization, ACO), летучих мышей (Bat Algorithm, BA), пчелиный (Artificial Bee Colony, ABC), кукушкин поиск (Cuckoo Algorithm, CA), светлячковый (Firefly Algorithm, FA), оптимизация роем частиц (Particle Swarm Optimization, PSO). Представлены параметры алгоритмов, дана их классификация, приведено подробное сравнение. Уделено внимание нерешенным проблемам, таким как потребление энергии, надежность и безопасность. Представленные результаты позволят исследователям выбрать подходящие решения возможных новых проблем в облачных вычислениях.
473
Предмет исследования. Рассмотрена проблема организации эффективного взаимодействия микросервисов в отказоустойчивых системах с высокой нагрузкой для обеспечения согласованности данных. В качестве способа организации управления микросервисами выбран шаблон управления Сага (Saga) в оркестрационной форме. Проанализирована целесообразность использования принципов асинхронного программирования при проектировании координатора Саг. Метод. Выполнена симуляция процессов работы координатора Саг, которая учитывает специфику синхронных и асинхронных конфигураций управления распределенными транзакциями (Сагами). Представленные синхронные конфигурации включают в себя координатор, управляющий фиксированным набором потоков и координатор, формирующий новый поток для каждой Саги. В группу асинхронных конфигураций входят координатор, управляющий корутинами и координатор, использующий планировщик ядра Linux. Основные результаты. Рассмотрены симуляции при различных значениях количества обрабатываемых Саг и доступных координатору процессоров. Показано, что при использовании асинхронных подходов имеет место значительное увеличение скорости выполнения набора Саг (до 9,74 раз) и скорости утилизации процессорного времени (до 88 %). Это подтверждает целесообразность их использования при проектировании координатора Саг. Показано, что различие в эффективности рассмотренных асинхронных подходов незначительно. Практическая значимость. Построение оркестратора Саг с применением асинхронных подходов позволит обрабатывать большую нагрузку и эффективнее распределять доступное процессорное время. Результаты исследования могут быть применены при проектировании высоконагруженных распределенных отказоустойчивых вычислительных систем. Оценка, выполненная в работе, будет полезна IT-специалистам и исследователям для решения проблем распределенных вычислений.
482
Предмет исследования. Рассмотрены вопросы распознавания и моделирования лица и объектов на лице человека по изображению. Разработаны модель, алгоритм и программа определения контуров и основных частей лица. Методы. Для предварительной обработки изображений использованы методы моделирования цвета и цветовых измерений. При распознавании и обработке изображений применены известные методы, включая скрытые марковские модели. Обучение разрабатываемой модели выполнено на основе нейросетевых методов машинного обучения по специально созданной выборке, а также с помощью методов цветовой сегментации. Основные результаты. Получена факторная модель лица человека, позволяющая эффективно и с высокой скоростью выделить и распознать на изображении лицо и его объекты с заданной точностью. Эксперименты показали, что после обучения точность правильного выделения границ составила 95–96 %. Практическая значимость. Разработанная модель может применяться в задачах обеспечения безопасности: для поиска и идентификации преступников в рамках укрепления правопорядка; при осуществлении контроля доступа на объекты критических инфраструктур и др.
490
Предмет исследования. Глубокие исследования топологических свойств информационно-телекоммуни­кационных сетей способствуют пониманию их функциональных возможностей, в том числе устойчивости. Изучение устойчивости сложных сетей к сбоям в работе при выходе из строя их компонентов осуществляется на основе моделирования путем последовательного удаления узлов или ребер сети (перколяции). В работе представлен сравнительный анализ последовательного и стохастического вариантов перколяции узлов сети, получение статистических оценок комплексного двухкритериального коэффициента устойчивости сети. Метод. В исследовании применены методы расчета среднего расстояния пути, построенные на теории графов. При статистическом анализе устойчивости сети использованы дисперсионный анализ и попарные сравнения по критерию Тьюки, основанные на положениях теории математической статистики. Имитационное моделирование выполнено с использованием моделей случайных графов Барабаши–Альберта и Эрдеша–Реньи. Основные результаты. Показано отличие метода стохастической перколяции от последовательной перколяции. Статистический анализ доказал влияние фактора изменения структуры сетей на их устойчивость за счет стохастической перколяции. Показана динамика снижения устойчивости сети при стохастической перколяции для различных типов сетей. Выявлено, что в отдельных случаях, например в сетях с высокой плотностью, наиболее предпочтителен метод стохастической перколяции. Практическая значимость. Исследование определило возможные варианты оценивания устойчивости сетей без наличия и с наличием априорных знаний о типе соединений между узлами. В первом случае, зная количество узлов сети, можно рассчитать предельные значения устойчивости при случайном удалении узлов. Второй вариант может применяться для расчета устойчивости сетей, подверженных случайным отказам узлов, например, при диагностировании технических систем.
499
Предмет исследования. Рассмотрена задача поиска путей в графе, которые удовлетворяют заданным контекстно-свободным ограничениям. Задача заключается в поиске всех путей в помеченном ориентированном графе, метки на ребрах которых образуют слова из языка, порожденного входной контекстно-свободной грамматикой. Существует два эффективных подхода к решению поставленной задачи с использованием операций линейной алгебры: с помощью обычного матричного умножения для поиска только одного пути и произведения Кронекера для поиска всех путей в графе. В настоящее время не существует алгоритма, который применяет обычное матричное умножение и способен найти все пути в соответствии с заданным контекстно-свободным ограничением. В работе предложен алгоритм поиска всех путей в графе с заданным контекстно-свободным ограничением, который основан на обычном матричном умножении. Метод. В матрицу смежности входного графа для каждой пары вершин добавляется дополнительная информация о найденных путях между этими вершинами в виде множества возможных промежуточных вершин. На первом этапе осуществлено построение множества матриц, хранящих в себе информацию обо всех путях, удовлетворяющих заданным ограничениям. На втором этапе выполнено построение искомых путей. Основные результаты. Предложенный алгоритм реализован в программе на языке С++. Проведено сравнение с эффективными алгоритмами поиска путей в графе с заданными контекстно-свободными ограничениями. Результаты экспериментального исследования показали, что предложенный алгоритм эффективнее (до 1000 раз быстрее) строит искомые пути, однако в некоторых случаях потребляет до 150 раз больший объем памяти, чем алгоритм, основанный на произведении Кронекера. Практическая значимость. Предложенный алгоритм может быть применен в задачах статического анализа кода, биоинформатике, сетевом анализе, а также в графовых базах данных, когда требуется найти все возможные зависимости в данных, представленных в виде помеченного графа.
506
Предмет исследования. Предложен способ автоматизации технологического процесса лечения пациентов методом протонной лучевой терапии при реализации персоналом протоколов его проведения. Способ реализован на базе системы поддержки принятия решений. Технологический процесс строго регламентируется и включает в себя непосредственно терапию (облучение пациента), а также ряд этапов: подготовительных и следующих за процессом облучения. Актуальность работы обусловлена тем, что в центрах протонной лучевой терапии применяются только отдельные информационные системы: радиологические, медицинские, либо комбинирующие их функции онкологические системы. Перечисленные системы обеспечивают информационную поддержку отдельных этапов технологического процесса, но системы, регулирующей все этапы технологического процесса, на текущий момент не существует. Представленная система должна обеспечить соблюдение оператором регламента проведения работ на отдельных этапах и полную поддержку проведения технологического процесса. Метод. Система поддержки определяет график проведения различных этапов, их очередность и возможность параллельного проведения, определяет условия разрешения начала этапа. Подсистемы центра протонной лучевой терапии обеспечиваются протоколами проведения этапов. Система построена по технологии «клиент-сервер» и интерактивно отражает в протоколе данные, необходимые оператору для проведения этапа, а также фиксирует результаты пройденного этапа. Сервер включает программное обеспечение, реализующее логику работы системы, а также базу данных. На каждом автоматизированном рабочем месте оператора, обеспечивающем проведения конкретного этапа, дополнительно устанавливается программное обеспечение клиента системы. Основные результаты. Изложен подход к созданию системы поддержки принятия решений персоналом центра протонной лучевой терапии для корректного проведения как самих этапов технологического процесса, так и их последовательности. Система включена в состав проекта исследовательского онкоофтальмологического комплекса протонной лучевой терапии в Петербургском институте ядерной физики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Практическая значимость. Передача необходимой информации другим системам центра протонной лучевой терапии производится через радиологическую (или медицинскую) информационную систему с использованием стандартных протоколов. Это позволяет адаптировать предложенное решение для работы в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом любого центра лучевой терапии (не только протонной).
515
Предмет исследования. Мониторинг поведения водителя в кабине транспортного средства является актуальной задачей для современных систем автоматизированной поддержки водителя (Advanced Driver Assistance System), относящихся к классу систем активной безопасности. Существующие исследования и решения в области современных систем помощи водителю ориентированы на использование электронных устройств в виде видеокамер, лазеров и радаров, которые получают измерительную информацию о водителе в кабине транспортного средства. Применение устройств носимой электроники, выполняющих измерения частоты сердечных сокращений, электрокардиограммы, движений пользователя и других показателей, позволяет точнее и надежнее получить результаты об опасном поведении водителя. Метод. Предложен подход к детектированию опасных состояний в поведении водителя на основе использования информации с устройств носимой электроники. Показано, что возникновение состояний агрессии и стресса водителя сопровождается характерными изменениями в частоте сердечных сокращений, измеряемых с использованием устройства носимой электроники. Основные результаты. Разработано мобильное приложение на платформе Android, выполняющее детектирование признаков состояния агрессии и стресса в поведении водителя с использованием данных, полученных с сенсоров устройств носимой электроники. При обнаружении опасного поведения водителя мобильное приложение сигнализирует об этом при помощи вибрации и звукового сигнала, воспроизводимого смартфоном. Выполнена апробация разработанного подхода на основе набора данных, собранного в реальных условиях вождения на дорогах общего пользования в городе и на загородных трассах в различных условиях вождения. Практическая значимость. Детектирование признаков агрессивного поведения и состояния стресса в поведении водителя позволяет дополнить информацию о водителе, и тем самым улучшить эффективность систем мониторинга водителя в кабине транспортного средства, ориентированных на предотвращение и снижение риска возникновения дорожно-транспортных происшествий и улучшения навыков участников дорожного движения. Предлагаемый подход может быть использован совместно с другими технологиями мониторинга поведения водителя при построении интеллектуальной системы поддержки водителя.
525
Автоматное программирование основано на построении программных систем как конечных автоматов с явным выделением состояний. Рассмотрены подходы к автоматам как структурам данных и их реализации в разных парадигмах. Оценены требования в части применения автоматных подходов к решению реальных задач. Показано, что для реализации поведения автоматов необходимы подходы, выходящие за рамки объектно-ориентированного программирования. Рассмотрены принципы подстановки вместо механизма наследования объектно-ориентированных программ. Предложено использовать сепарацию кода и данных в рамках парадигмы программирования, управляемого данными. Описана структура данных и взаимодействие с кодом как результат этой сепарации. Рассмотрены механизмы динамической загрузки модулей и представления как данных, кода и схем. Предложена концепция исполняющей машины автоматных программ. Приведено описание ссылочных взаимосвязей в потенциально распределенных системах. Определены требования к реализации исполняющей машины: модульность, использование метаданных, доступ по чтению. Выбран язык программирования Оберон/Компонентный Паскаль и среда разработки BlackBox. Реализован прототип исполняющей машины в виде системы Abpe. Рассмотрено функционирования и построение примеров автоматов в Abpe.
535
Предмет исследования. Представлены результаты моделирования гомоскедастичной алеаторной неопределенности для детекции пыльцевых зерен на изображениях. Приведено описание новых разработанных функций потерь моделирования неопределенности, основанных на фокусной и сглаженной L1 функциях потерь. Актуальность и отличие от существующих функций состоит в том, что базовые фокусная и сглаженная L1 функции, являясь передовыми для решения задачи детекции объектов на изображении, не позволяют оценить алеаторную неопределенность. Разработанные функции позволяют дать такую оценку и представить более точное решение задачи детекции пыльцы. Метод. Предложены функции потерь для обучения нейронной сети RetinaNet, моделирующие гомоскедастичную алеаторную неопределенность, для детекции объектов на изображении. Функции получены с помощью байесовского вывода и позволяют использовать его в существующих нейросетевых детекторах, основанных на архитектуре RetinaNet. Преимущества функций потерь продемонстрированы на задаче детекции изображений пыльцы. Основные результаты. С помощью новых функций потерь удалось повысить точность детекции пыльцы, а именно локализации и классификации, на изображениях в среднем на 2,76 %. Показано, что моделирование гомоскедастичной алеаторной неопределенности в процессе обучения нейронной сети позволяет отделять шум, присущий данным, от сигнала, тем самым повышая точность решения задач. Практическая значимость. Предложенные функции потерь позволяют значительно повысить точность детекции пыльцы на изображениях, что имеет решающее значение для распознавания пыльцы в целом. Результаты работы дадут возможность автоматизировать процесс определения пыльцы аллергенов в воздухе и сократить время информирования больных поллинозами для предупреждения симптомов аллергии. Разработанные функции могут быть применены для обучения нейронной сети для детекции на любых других наборах данных изображений.
Алгоритм выявления синтезированного голоса на основе кепстральных коэффициентов и сверточной нейронной сети
Муртазин Р. А., Кузнецов . А., Федоров Е. А., Гарипов И. М., Холоденина А. В., Балданова Ю. Б., Воробьева А. А.
545
Предмет исследования. Рассмотрены существующие подходы для выявления синтетической речи, базирующиеся на проблемах синтезирования голосовой последовательности. Представлено описание этапов и итоговая схема алгоритма выявления спуфинг-атак на голосовые биометрические системы. Основное внимание уделено обнаружению синтезированного голоса как наиболее опасного вида атак. Создан программный комплекс для проведения экспериментальных исследований, представлена его структура. Метод. Предложен алгоритм выявления синтезированного голосового образа. Алгоритм основан на использовании мел-частотных и Q-константных кепстральных коэффициентов для извлечения речевых признаков. Для построения модели пользователя использована модель гауссовых смесей. В качестве классификатора для принятия решения о подлинности голоса выбрана сверточная нейронная сеть. Основные результаты. Для сопоставления выбраны два базовых решения противодействия спуфинг-атакам, предложенные авторами конкурса ASVspoof2019. В одном из решений в качестве извлекаемых речевых признаков использованы линейно-частотные кепстральные коэффициенты, в другом — Q-константные. В обоих решениях в качестве классификатора применена модель гауссовых смесей. Для оценки эффективности предложенного решения и сравнения его с другими выбраны метрики EER и minDCF и сформирована голосовая база. Экспериментальные результаты продемонстрировали преимущество разработанного алгоритма перед другими рассмотренными вариантами. Достоинство представленного решения — применение извлекаемых речевых признаков, имеющих высокие результаты и для идентификации пользователя. Это позволяет оптимизировать голосовую биометрическую систему с внедренной защитой от спуфинг-атак посредством синтеза голоса. Сам алгоритм при внесении незначительных модификаций может быть использован для голосовой идентификации. Практическая значимость. Голосовые биометрические системы имеют высокий потенциал применения в банковской сфере. Такие системы позволят финансовым организациям ускорить и упростить осуществление денежных операций, и предоставить пользователям расширенный функционал в удаленном режиме. Внедрение систем голосовой биометрической идентификации осложняется их уязвимостью для спуфинг-атак, в частности посредством синтеза голоса. Предложенное решение может быть интегрировано в системы голосовой биометрии с целью повышения их надежности.
553
Предмет исследования. Получение достоверных оценок надежности и безопасности корпоративных информационных систем является актуальной проблемой. В настоящее время недостаточно наличие только оценок защищенности программных и программно-аппаратных компонентов. Необходимы постоянный мониторинг действий пользователя и комплексный анализ его поведения в системе. Новизна предлагаемого подхода состоит в применении методов психологического профилирования, моделей нейро-нечеткого вывода и механизмов многомерного анализа данных. Уязвимости компьютерных информационных систем определяются на основе ретроспективного анализа инцидентов информационной безопасности. Метод. На основе анализа поведения пользователя построен профиль, и определены паттерны в конкретной компьютерной информационной системе. Исследовано влияние преднамеренного и непреднамеренного поведений пользователя на вероятность реализации угроз информационной безопасности. Выявлены пороговые значения количества и частоты событий, которые свидетельствуют об инциденте безопасности. Построена модель поиска нарушителя при реализации инцидента. Основные результаты. Проведена апробация предложенной методики в пакете программ MatLab. Экспериментальные расчеты потенциальных уязвимостей выполнены в системе программ «1С: Предприятие 8.3». В качестве исходных данных для расчета использованы записи журнала регистраций действий более 100 пользователей с различными ролями в течение года. Отмечено, что политика управления рисками должна включать в себя постоянный анализ действий пользователей и их последствий для выявления и предотвращения инцидентов информационной безопасности. Показано, что при реализации представленной методики необходимо постоянное выявление пользователей, которые не должны иметь доступ к важной информации так как нарушитель может находиться в границах компьютерной информационной сети. Практическая значимость. Применение разработанной методики позволит повысить уровень обеспечения безопасности при постоянном изменении «рабочего окружения» информационной системы. Упростится процесс принятия объективного и обоснованного управленческих решений о наиболее вероятной реализации инцидентов информационной безопасности. Реализация методики позволит заблаговременно предпринимать необходимые предупредительные меры.
562
Предмет исследования. Представлен новый подход к идентификации пользователей различных социальных сетей для определения аккаунтов, которые принадлежат одному человеку. Для этой цели использованы изображения, извлекаемые из цифровых следов пользователей. Новизна подхода заключается в том, что для сравнения применяются не только основные изображения профиля пользователя, но и любые элементы графического контента, публикуемые в его аккаунте. Метод. Предлагаемый подход заключается в попарном сравнении изображений по принципу «все-со-всеми», публикуемых пользователями в двух аккаунтах из разных социальных сетей для оценки вероятности принадлежности этих аккаунтов одному пользователю. Сравнение обозначенных элементов графического контента производится с использованием известного метода перцептивного хэша pHash. Основные результаты. Выполнен вычислительный эксперимент для оценки результатов, полученных с помощью предложенного подхода. По результатам эксперимента величина метрики f1-score достигла 0,886 при трех совпавших изображениях. Показано, что результаты сравнения изображений при помощи pHash могут использоваться для идентификации аккаунтов как самостоятельный подход, так и дополнять другие подходы. Предложенный алгоритм показал, что может быть применен для дополнения существующих методик компаративного анализа аккаунтов. Практическая значимость. Автоматизация разработанного подхода обеспечит формирование инструментальной основы использования метода для агрегации и возможности получения большего количества сведений о пользователях и оценки выраженности их личностных особенностей. Полученный результат может быть применен в процессе формирования цифрового двойника пользователя для дальнейшей оценки его особенностей в задачах защиты от социоинженерных атак, таргетированной рекламы, оценки кредитоспособности и других исследований, связанных с социальными сетями и науками социогуманитарного цикла.
Исследование движения человека в системах компьютерного зрения на основе скелетной модели
Казакова С. А., Леонтьева П. А., Фролова М. И., Донецкая Ю. В., Попов И. Ю., Кузнецов . А.
571
Предмет исследования. Анализ движения человека в системах компьютерного зрения выполняется как в двухмерном, так и в трехмерном пространствах. Особенность анализа фигур в двухмерном пространстве состоит в применении изображения с одной камеры и/или множественных нательных датчиков. Подобный подход приводит к быстрому накоплению ошибки и, как следствие, низкой точности представления фигуры. В случае выполнения трехмерного анализа используются несколько камер, а фигуры представлены в виде совокупностей объемных элементов. Несмотря на высокую точность трехмерного анализа, он связан с большой вычислительной сложностью и нагрузкой на внутреннюю компьютерную сеть. Задача исследования состоит в разработке модели, с использованием изображения одной камеры. При этом поставлена задача достижения точности, приближенной к трехмерному анализу. Метод. В рассмотренной модели фигура человека представляется в виде скелета, описанного ациклическим связным графом. Выполнен анализ структуры человеческой фигуры и выделены пятнадцать основных точек. Исследовано и дано математическое описание физических и логических связей. Скоростные и пространственные характеристики точек и связей описывают общую динамику движения. Основные результаты. Представлено описание модели движения человека и приведен пример ее построения для конкретного изображения. На основе предложенной модели разработан алгоритм сбора и анализа информации о взаимных расположениях и скоростных характеристиках узлов и ребер графа. Практическая значимость. Разработанная модель может быть использована для сбора информации об эталонной (нормальной) динамике движения человека. В случае детектирования динамики, отклоняющейся от эталонной, поведение определяется как девиантное. Предложенный алгоритм может найти применение в системах компьютерного зрения для детектирования и анализа движения человека, а также выявления отклонений движений от эталонных. 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

578
Предмет исследования. В работе рассмотрено решение ряда задач сверх- и гиперзвуковой газовой динамики при использовании модели, которая учитывает диссоциацию и ионизацию воздуха. Приведены результаты верификации и валидации разработанного численного метода при использовании разностных схем (Рое, Русанова, AUSM) для дискретизации конвективных потоков. Метод. Формулировка математической модели для высокотемпературного воздуха использует наличие равновесных химических реакций диссоциации и ионизации. С этой целью при высоких скоростях набегающего потока применена модель Крайко, содержащая равновесные химические реакции в воздухе при высоких температурах. Для дискретизации основных уравнений использован метод конечных объемов на неструктурированной сетке. Одна из особенностей построенной математической модели состоит в реализации эффективного перехода между физическими и консервативными переменными. Приведены соотношения, при помощи которых осуществлен переход от консервативных переменных к физическим и обратно при использовании модели высокотемпературного воздуха. Для обеспечения устойчивости численных расчетов введена энтропийная поправка. Убывание энтропии в решении гиперболических уравнений исключено при помощи введения искусственной вязкости по Нейману, а также применения метода Годунова с точным решением задачи Римана и методов, основанных на приближенном решении задачи о распаде произвольного разрыва. Основные результаты. Получено численное решение ряда задач сверхзвуковой газовой динамики (сверхзвуковые течения в канале с прямой ступенькой и около сферы) с учетом высокотемпературных эффектов. Обсуждены критерии точности численных расчетов, связанные с расположением ударно-волновых структур, и выполнено сравнение полученных результатов с данными, имеющимися в публикациях, а также с расчетами по модели совершенного газа. Проведено сопоставление результатов численных расчетов с имеющимися экспериментальными данными. Расчеты получены в рамках невязкой модели, с учетом влияния вязкости и ее зависимости от температуры, а также модели турбулентного течения. На основе результатов численного моделирования рассмотрено влияние вязких эффектов на характеристики потока в канале с прямой ступенькой и обтекание сферы гиперзвуковым потоком. Отмечено влияние различных численных факторов на форму головного скачка уплотнения и наличие флуктуаций решения за скачком уплотнения. Практическая значимость. В рамках работы подготовлен расчетный модуль для коммерческого пакета AnsysFluent, реализованный при помощи средств пользовательского программирования. Модуль расширяет стандартные возможности коммерческого программного обеспечения, ориентированного на решение задач вычислительной газовой динамики, и для решения задач гиперзвуковой аэродинамики. Разработанные средства численного моделирования могут быть полезны при проектировании и оптимизации гиперзвуковых летательных аппаратов.
592
Предмет исследования. Широкое распространение машинного обучения, включая объекты критической информационной инфраструктуры, влечет за собой риски угроз безопасности при отсутствии надежных средств защиты. В работе рассмотрены процессы в системах машинного обучения по аналогии с информационными системами, которые подвержены вредоносным воздействиям. Представлены результаты моделирования событий, приводящих к нарушению безопасности в системах машинного обучения объектов критической информационной инфраструктуры. Метод. При моделировании применена технология создания функциональных моделей SADT (Structured Analysis and Design Technique) и методология IDEF0 (Integration definition for function modeling) как инструмент перехода от вербально-функционального описания исследуемого процесса к описанию в терминах математического представления. Для исследования сценариев перехода систем машинного обучения в опасное состояние и численной оценки вероятности нарушения безопасности выполнено математическое моделирование угроз с использованием логико-вероятностного метода. Основные результаты. Получена наглядная функциональная модель нарушения безопасности системы в виде контекстной диаграммы системы и двух уровней декомпозиции. Определена функция опасности системы и выведен арифметический полином вероятностной функции. Практическая значимость. Представленные модели позволят разработать методы и алгоритмы защиты систем машинного обучения от вредоносных воздействий и применять их в ходе оценки уровня защищенности.
Математическое моделирование оптимальной онкотерапии злокачественных опухолей
Наркевич И. А., Милованович Е. В., Слита О. В., Тертычный-Даури В. Ю.
599
Предмет исследования. Предложена математическая модель оптимального лечения злокачественных новообразований. Новообразование рассматривается как объект с распределенными параметрами. Выполнен анализ схемы онкотерапии с использованием системы дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Метод. Представлено решение поставленной задачи с помощью аппарата беллмановской оптимизации и метода корректируемых параметров. Основные результаты. Получен закон оптимального управления режимом онкотерапии. Построена схема формирования оптимальной по Беллману стратегии регулирования параметров управления и динамических параметров, при которой с течением времени гарантировано выполнение целевых условий. Работоспособность рассмотренного метода продемонстрирована на одномерном модельном примере. Представлен критерий оптимизации, который отображает общие затраты системы управления процессом онколечения. Численное моделирование показало эффективность предложенной процедуры оптимального алгоритма выбора лечения. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение в современной клинической практике на этапе прогностического выбора наиболее эффективной стратегии лечения.
606
Предмет исследования. Представлены результаты исследования новых явлений, которые сопровождают свободный или ограниченный стенками разлет неравновесной по скоростям и температурам смеси газа и частиц различных размеров с осевой симметрией. Метод. Динамика газовзвеси рассмотрена в рамках взаимопроникающих континуумов калорически совершенного невязкого газа и несжимаемых монодисперсных сферических частиц. Использован эйлеров подход для описания движения каждой фазы смеси. Для численного моделирования реализован гибридный метод крупных частиц второго порядка аппроксимации по пространству и времени с нелинейной коррекцией искусственной вязкости, аддитивной комбинацией потоков и полунеявной схемой расчета межфазного трения и теплообмена. Работоспособность и точность метода для двумерной задачи с осевой симметрией подтверждена сравнением с решениями, полученными в одномерной постановке в цилиндрической системе координат. Основные результаты. В случае мелких частиц (с диаметром d = 0,1 мкм) время релаксации фаз много меньше характерного времени задачи, и газовзвесь ведет себя как гомогенная среда аналогично течению газа. Для крупных частиц (d = 20 мкм) проявляются эффекты различия инерционности фаз и неравновесности, связанные с несовпадением скоростей и температур газа и частиц. Следствием этих эффектов является расщепление начальной границы раздела сред на контактный разрыв в газовой фазе и поверхностью между взвесью и чистым газом (скачок пористости). На ранней стадии разлета скачок пористости отстает от положения контакта в несущей (газовой фазе). В последующие моменты времени картина течения меняется на противоположную, что объясняется торможением газа, возникновением обратного потока к центру разлета вследствие разрежения в окрестности оси симметрии и образованием вторичной ударной волны. Далее возникают колебания с учетом относительного изменения положения границ раздела фаз. При этом наблюдаются изломы траекторий газового контакта (разрыв первой производной), связанные с прохождением отраженной ударной волны от стенки и плоскости симметрии. С течением времени по причине бароклинной неустойчивости (несовпадения градиентов плотности и давления) на интерфейсных границах формируются вихревые структуры. В случае разлета газовзвеси в замкнутом объеме образуется сложная ударно-волновая структура, обусловленная многократными отражениями ударных волн от стенок и их взаимодействием с контактными поверхностями. Практическая значимость. Прикладное значение полученных результатов заключается в выявлении принципиальных физических эффектов, которые следует учитывать при постановке и решении задач в химических технологиях, пневмотранспорте и других областях. Приведенные численные решения могут быть полезны при проверке разрешающей способности других разностных схем по воспроизведению вихревой неустойчивости контактных границ и ударно-волновых структур в течениях релаксирующих газовзвесей.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

Исследование модулятора двулучепреломления на основе ниобата лития
Кубланова И. Л., Шулепов . В., Аксарин С. М., Куликов А. В., Стригалев В. Е.
613
Исследован модулятор двулучепреломления на X-срезе ниобата лития с канальным волноводом, выполненным по технологии диффузии титана. Волновое напряжение модулятора зависит от условий выращивания и обработки кристалла ниобата лития, от технологии формирования волновода. Допуск по определению длины электродов и зазора между ними составляет не менее 1 %. В связи с этим расчетные значения волнового напряжения могут значительно отличаться, а для практического применения требуется экспериментальное измерение волнового напряжения. Представлено экспериментальное уточнение значения волнового напряжения модулятора и выполнено сравнение значения с теоретическим. В эксперименте волновое напряжение определялось с использованием сканирующего интерферометра Майкельсона. Показано, что экспериментально измеренное значение волнового напряжения расходится с расчетным более чем на 26 %. Данная разница связана с допущением, что вектор электрического поля внутри кристалла направлен перпендикулярно к оси распространения оптического излучения, а величина напряженности электрического поля не изменяется по глубине кристалла. При этом интегралы перекрытия обыкновенной и необыкновенной волн равны. В реальных модуляторах с канальным волноводом, сформированным по технологии диффузии титана, эти допущения не выполняются. Показатель преломления ниобата лития и электрооптический коэффициент могут отличаться у разных образцов кристаллов в зависимости от условий их выращивания, обработки и технологии формирования волновода. Результаты работы могут найти применение в сфере интерферометрических измерительных устройств, в которых используется модулятор двулучепреломления, так как значение волнового напряжения необходимо для проектирования управляющей электроники.
Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика