Введение. Представлены результаты разработки устройства, предназначенного для компенсации погрешности положения лазерного пучка при обработке заготовок. Погрешности, которые возникают при обработке заготовок лазерным пучком, приводят к снижению уровня точности. Погрешности вызваны двумя факторами: наличием вибраций и нестабильным положением перетяжки лазерного пучка. Одной из основных причин нестабильного положения точки фокусировки лазерного пучка является неровная поверхность заготовки, которая приводит к изменению положения перетяжки пучка относительно плоскости обработки. Погрешность положения перетяжки пучка по углу относительно плоскости обработки влияет на точность обработки заготовки. Для уменьшения погрешности в позиционировании перетяжки пучка относительно плоскости обработки, необходимо устройство (система или механизм), способное ее скомпенсировать. Устройство должно обладать способностью адаптироваться к поверхности заготовки. Метод. Таким образом, разработка устройства служит решением проблемы, возникающей при лазерной обработке. Разработанное устройство адаптивной головки лазерного пучка адаптируется к поверхности заготовки для компенсации погрешности положения, стабилизирует положение перетяжки пучка относительно плоскости обработки и уменьшает внутренние вибрации во время обработки заготовки. Головка с фокусирующей оптической системой может перемещаться в трех степенях свободы. Благодаря этому головка может отслеживать форму поверхности и корректировать положение точки фокусировки в соответствии с формой заготовок. Во время работы, чтобы иметь возможность отслеживать положение лазерного пучка на заготовке, устройство оснащено камерой. Выполнен эксперимент с макетом полученного устройства для определения уровня его возможностей. Основные результаты. В результате эксперимента определено, что устройство успешно выполняет свои задачи. Оно обеспечивает удержание лазерного пятна в требуемой точке и постоянное положение лазерного пятна на заготовке так, чтобы искажения его формы были минимальны. Обсуждение. Представленное устройство может быть использовано и применено в качестве системы компенсации погрешности позиционирования лазерного луча при обработке заготовки, а также для совершенствования технологии обработки заготовок с высоким уровнем точности.

Введение. Разработаны и исследованы методы изменения чувствительности волоконных брэгговских решеток к температуре и деформации путем нанесения различных легкоплавких металлов. Метод. Выполнено исследование чувствительных элементов на основе одномодовых оптических волокон SMF-28 со сформированными волоконными брэгговскими решетками и нанесенными на волокно различными металлическими покрытиями. Основные результаты. Исследовано влияние покрытия волоконной брэгговской решетки легкоплавкими металлами на ее чувствительность к температуре и деформации. Разработаны различные волоконно-оптические чувствительные элементы, представляющие собой волокна со сформированными в них волоконными брэгговскими решетками, при этом на область с такими дифракционными структурами были нанесены покрытия различной толщины из олова или припоя в виде сплава олова и свинца (Sn63Pb37). Представленные экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. Температурная чувствительность брэгговского резонанса волоконной решетки с покрытием из припоя или олова примерно в 4 раза превышает чувствительность решетки без покрытия. Анализ чувствительности к растяжению позволил сделать вывод о том, что по сравнению со стандартной волоконной брэговской решеткой, чувствительность такой решетки с покрытием уменьшается и составляет порядка 0,017 пм/(мкм/м) по сравнению с 1,2 пм/(мкм/м) (для длины волны брэгговского резонанса 1530 нм) для стандартной волоконной решетки без покрытия. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы для контроля и изменения чувствительности волоконной брэгговской решетки к температуре и/или деформации в зависимости от условий решаемой задачи в области создания волоконно-оптических измерительных устройств.

Введение. Одним из применений двулучепреломляющих оптических волокон является создание различных сенсоров, в том числе датчиков уровня и гидростатического давления. Внешнее механическое воздействие на двулучепреломляющее оптическое волокно приводит к перекачке части оптического излучения между ортогональными модами. В датчиках давления на микро- и макроизгибах затухание оптического сигнала растет при увеличении внешнего давления. Совмещение двух физических принципов в одном датчике позволяет создавать волоконно-оптические датчики высокой чувствительности для работы при давлении более 18 кПа. При этом существенно упрощается схема регистрации. Метод. В качестве опытного образца использовано оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4. В исследовании применен широкополосный источник излучения ThorLabs S5FC1005SXL с центральной длиной волны 1560 нм и полушириной спектра 45 нм. Рассмотрено влияние наведенного периодического механического напряжения на величину связи поляризационных мод в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. Наведенное периодическое напряжение создавалось предложенной и специально изготовленной периодической структурой из отрезков оптического волокна, приклеенных к стеклянной подложке. Давление на опытный образец волокна изменялось грузами известной массы, а также путем поворота волокна вокруг своей оси с шагом 5°. Гидростатическое давление создавалось с помощью резервуара с водой, помещенного в барокамеру. Мощность излучения, перекачиваемая между поляризационными модами, регистрировалась при помощи двух фотоприемных устройств с использованием поляризационного делителя. Основные результаты. Показано, что наибольшая величина относительной перекачиваемой мощности достигнута при периоде механического воздействия, равного длине биений двулучепреломляющего оптического волокна. Для опытного образца датчика получена зависимость относительной перекаченной мощности от гидростатического давления. Обнаружено, что наибольшее значение относительной перекаченной мощности — при давлении 80 кПа, а пороговой чувствительности — 20 кПа. Снижение перекачиваемой мощности при давлении более 80 кПа объясняется наведенными оптическими потерями, а при давлении менее 20 кПа заметен гистерезис показателей до 0,006 отн. ед. Обсуждение. Получен образец датчика для измерения гидростатического давления до 80 кПа со среднеквадратичным отклонением результатов измерения до 7 %. Пороговая чувствительность ограничена величиной 20 кПа. Выполненное исследование может найти применение при разработке волоконно-оптических датчиков давления.

Введение. Рассмотрен широкий класс гладких непрерывных динамических нелинейных систем (объектов управления) с измеряемым вектором состояния. Поставлена задача поиска специальной функции (функции Ляпунова), которая в рамках второго метода Ляпунова гарантирует асимптотическую устойчивость для представленного класса нелинейных систем. Известно, что поиск функции Ляпунова является крайне сложной задачей, не имеющей универсального решения в теории устойчивости. Методы подбора или поиска функции Ляпунова для анализа устойчивости замкнутых линейных стационарных систем и для нелинейных объектов с явно выраженными линейной динамической и нелинейной статической частями хорошо изучены. Вместе с тем универсальных подходов к поиску функции Ляпунова для более общего класса нелинейных систем не выявлено. В работе предложен новый подход к поиску функции Ляпунова для анализа устойчивости гладких непрерывных динамических нелинейных систем с измеряемым вектором состояния. Метод. Сущность предлагаемого подхода состоит в представлении некоторой функции через сумму нелинейных слагаемых, являющихся возведенными в положительные степени элементами вектора состояния объекта, умноженными на неизвестные коэффициенты. Поиск этих коэффициентов осуществлен с использованием классического генетического алгоритма, включающего операции мутации, селекции и кроссовера. Найденные коэффициенты обеспечивают все необходимые условия для функции Ляпунова (в рамках второго метода Ляпунова). Подход на основе генетического алгоритма не требует обучающей выборки, которая накладывает ограничения в виде структуры объектов управления, включенных в нее. Основные результаты. Предложен новый метод поиска функции Ляпунова, представленной в виде нелинейного ряда с известными функциями, умноженными на неизвестные коэффициенты. Эффективность метода продемонстрирована с использованием компьютерных симуляций с фиксированным количеством итераций и изменяющимся размером популяции. Установлена зависимость количества успешно найденных функций Ляпунова от количества итераций генетического алгоритма. Выполнен анализ сходимости генетического алгоритма с использованием схем Холланда. Показано, что значения искомых коэффициентов потенциальной функции Ляпунова на каждой итерации алгоритма приближаются к коэффициентам функции Ляпунова, представленной в виде ряда Тейлора. Обсуждение. Предложенный метод превосходит известные аналоги по быстродействию, рассматривает разложение потенциальной функции Ляпунова в ряд Тейлора с неизвестными коэффициентами, вместо использования контрпримеров или шаблонных функций.

Введение. Рассмотрена задача компенсации внешних возмущений в многоканальных системах с неизмеримым вектором состояния и запаздыванием в канале управления. Предположено, что возмущение имеет гармоническую форму. Метод. Для решения задачи оценивания вектора состояния объекта синтезирован наблюдатель полного порядка с неизвестными входными сигналами (Unknown Input Observer). В результате полученных оценок вектора состояния сформирован новый наблюдатель внешних возмущений и система, использующая оценки с расширенным вектором состояния. Для системы построен регулятор, обеспечивающий компенсацию возмущения. Основные результаты. Предложенный алгоритм обеспечивает ограниченность всех сигналов в замкнутой системе и асимптотическую устойчивость выхода. При этом не требуется идентификация параметров внешних возмущений. Для демонстрации работоспособности и эффективности подхода выполнено компьютерное моделирование с использованием программной среды MATLAB Simulink. Обсуждение. Разработанный алгоритм может эффективно применяться в системах с внешними возмущениями в форме синусоидальных сигналов, в том числе в системах, подверженных воздействию ветра, корабельных системах, системах управления движением робототехнических комплексов различного типа и других.

Введение. Исследованы задачи слежения за траекторией и настройки коэффициента усиления регулятора для колесных мобильных роботов. Коэффициент усиления регулятора оказывает большое влияние на процесс отслеживания траектории движения робота. Выбор требуемого коэффициента усиления в процессе проектирования регулятора очень важен, поскольку его значение может влиять на точность и скорость отслеживания. Существующие в настоящее время нейросетевые регуляторы коэффициента усиления имеют сложную структуру и требуют для поиска оптимального значения значительных вычислительных ресурсов. Для решения этой проблемы предложен контроллер слежения за траекторией с простой структурой и адаптивным коэффициентом усиления, реализованный путем объединения контроллера с нейронной сетью. Входным сигналом для контроллера служит ошибка ориентации робота. Контроллер не имеет скрытого слоя и напрямую выдает закон управления отслеживанием траектории. Метод. На основе метода функций Ляпунова разработан кинематический регулятор, обеспечивающий движение робота по опорной траектории. С помощью нейронной сети предложен алгоритм онлайн-регулировки коэффициента усиления, который позволил ускорить изменение коэффициента усиления регулятора и обеспечил надежность его работы. Для разработки регулятора слежения за скоростью на основе ошибки между виртуальной и реальной скоростью применен метод бэкстеппинга. Для учета влияния внешней среды и оценки суммарных возмущений предложен нелинейный наблюдатель возмущений. Основные результаты. Выполнен имитационный эксперимент в среде MATLAB, который показал, что предложенный алгоритм управления позволяет реализовать точное слежение за роботом по заданной траектории. Алгоритм регулировки коэффициента усиления дает возможность быстро и эффективно найти оптимальное значение коэффициента усиления, что повышает устойчивость и эффективность работы регулятора. Обсуждение. Метод может найти применение для решения большинства задач слежения за траекторией движения мобильного робота и решает проблему настройки коэффициента усиления управления.

Введение. Представлены результаты исследований особенностей управления состоянием тонкопленочного элемента на основе фазоизменяемого материала теллурида германия (GeTe). Управление свойствами элемента GeTe осуществлено последовательностями сверхкоротких лазерных импульсов. Такое воздействие приводит к быстрому нагреву тонкопленочного элемента и обеспечивает фазовый переход между состояниями с сопротивлением, отличным на несколько порядков. Метод. Динамика сопротивления исследована с помощью высокоскоростного осциллографа по схеме, где исследуемый элемент являлся плечом делителя напряжения высокостабильного источника. Основные результаты. Для пленок толщиной 100 нм определены три типа переключения удельной проводимости. Для низких энергий лазерного излучения получено несколько различимых состояний, при которых пленка материала обладает преимущественно полупроводниковыми свойствами. При увеличении энергии оптических импульсов количество возможных стабильных состояний, определяемых удельной проводимостью материала, уменьшена до двух, в одном из которых (низкоомном) материал проявил исключительно металлические свойства. Во всех случаях время переключения в стабильное состояние не превышает нескольких десятков наносекунд для пленок толщиной до 100 нм. Обсуждение. Исследование показало, что описанные структуры можно использовать для реализации мемристивных элементов с оптическим управлением. Кроме того, большое количество возможных допустимых удельных сопротивлений элемента позволит использовать его для увеличения информационной емкости ячеек памяти на основе фазоизменяемого материала или для реализации оптоэлектронных нейроморфных систем.

Введение. Исследованы при комнатной температуре оптические и люминесцентные свойства ультратонких коллоидных полупроводниковых нанопластин селенида кадмия, свернутых в виде свитков толщиной 2,5 монослоя. Метод. Для коллоидного синтеза объектов исследования применен ацетат кадмия дигидрат Cd(CH3COO)2·2H2O и триоктилфосфинселенид в качестве прекурсоров кадмия и селена соответственно, а также использованы растворы олеиновой кислоты и октадецена. Регистрация сигнала люминесценции скрученных наноструктур проведена с помощью волоконного ПЗС-спектрометра. Кривые затухания фотолюминесценции нанокристаллов получены методом время-коррелированного счета одиночных фотонов в максимуме интенсивности люминесценции. Основные результаты. Обнаружено, что люминесценция исследуемых образцов характеризуется как межзонными переходами, так и переходами с участием дефектных уровней. Установлено, что нормированное число фотонов, регистрируемых при исследовании затухания рекомбинационной люминесценции, в 45 раз превышает аналогичное значение для экситонной люминесценции при идентичных условиях эксперимента. Определены доминирующая длина волны люминесценции, цветовые координаты, чистота цвета и коррелированная цветовая температура коллоидных полупроводниковых ультратонких нанопластин селенида кадмия, свернутых в виде свитков. Выполнено сравнение полученных результатов с аналогичными колориметрическими характеристиками для более толстых коллоидных полупроводниковых наноструктур селенида кадмия из известных научных работ. Обсуждение. Наблюдаемые эффекты свидетельствуют о том, что использование ультратонких свернутых нанокристаллов селенида кадмия является перспективным для создания светодиодов на их основе.

Введение. Рассмотрена задача оптимизации выбора параметров установки видеокамеры, таких как место и углы обзора, наклона и поворота для повышения информативности формируемого видеосигнала. Актуальность темы обусловлена отсутствием методов и программ автоматизации процесса выбора этих параметров. Задача решена при условии достижения плотности пикселов, необходимой для решения поставленной задачи наблюдения. Метод. Разработанный метод оптимизации основан на предложенной модели представления зон обзора, наблюдения и расположения камер как дискретных множеств в соответствии с решаемой задачей наблюдения, определяющей минимально требуемую плотность пикселов с учетом выбранных критериев и ограничений. Получена возможность решения задачи программным способом в отличие от существующих решений, использующих эмпирические подходы. Основные результаты. Сформулированы основные и дополнительные критерии, а также ограничения, по которым можно осуществлять оптимизацию положения камеры относительно требуемой зоны наблюдения — решаемая задача наблюдения, минимально требуемое разрешение камеры и максимальная информативность формируемого изображения. Определены алгоритмы вычисления оценок ближней, дальней и боковых границ зоны обзора, позволяющие получить значения углов обзора, поворота и наклона. Обоснована адекватность предложенной модели реальным зонам наблюдения, обзора и расположения камер. Приведен пример решения задачи оптимизации, подтверждающий корректность использования предложенного метода. Обсуждение. Полученные результаты позволяют автоматизировать процесс проектирования и минимизировать влияние человеческого фактора при выборе места и параметров установки камер в процессе проектирования систем наблюдения. Результаты работы могут найти применение при разработке алгоритмов и программ автоматизированного проектирования систем наблюдения.

Введение. Генерация реалистичной трехмерной модели тела человека является очень трудоемкой задачей. Даже при наличии необходимых вычислительных ресурсов возникают ошибки генерации на фигурах людей, отличающихся от среднего телосложения. В работе предложен экспериментальный алгоритм считывания антропометрических данных с двух фотографий, сделанных в анфас и в профиль. Метод. Предлагаемое решение проблемы генерации с помощью выделения антропометрических точек предполагает задание ограничений модели Skinned Multi-Person Linear Model (SMPL). Для сегментации тела человека на основе эмпирических исследований применена модификация полносвязной сверточной нейронной сети Fully connected (FCN) ResNet101, обученная на наборе данных Common Objects in Context (COCO) Segmentation 2017. С ее помощью получена основа для детекции антропометрических точек на фотографии человека в анфас и в профиль. Погрешность в определении антропометрических точек составила от 2 до 5 % в зависимости от их расположения. Ограничения для модели рендеринга SMPL вычислены с использованием алгоритма Левенберга–Марквардта. Для его корректной работы предложена специальная функция стоимости, учитывающая особенности данной задачи. Основные результаты. Собранный авторами статьи набор данных (117 человек разного телосложения и роста) показал, что предложенный метод позволяет получить малую среднюю абсолютную ошибку (MAE = 0,0395 м) и высокий коэффициент детерминации (R2 = 0,913). Обсуждение. Граф антропометрических точек задает более строгие условия генерации фигуры и любое отклонение от графа является следствием большой ошибки генерации. Предложенное решение позволило достаточно точно сгенерировать модель тела человека. При этом сохранены невысокие требования к вычислительным ресурсам и качеству первоначальных фотографий пользователей. Представленный подход может найти применение в онлайн-примерочных, что дает возможность восстановить фигуру всего по двум снимкам, а также точно воспроизвести особенности мужских и женских фигур.

Введение. В настоящее время интерпретируемость лингвистических моделей машинного обучения неудовлетворительна в связи с несовершенством научно-методического аппарата описания функционирования как отдельных элементов, так и моделей в целом. Одной из проблем, связанной со слабой интерпретируемостью, является низкая надежность функционирования нейронных сетей, обрабатывающих тексты естественного языка. Известно, что небольшие возмущения в текстовых данных влияют на устойчивость нейронных сетей. В работе представлен метод тестирования лингвистических моделей машинного обучения на наличие угрозы проведения атак уклонения. Метод. Метод включает в себя следующие генерации текстовых состязательных примеров: случайная модификация текста и сеть генерации модификаций. Случайная модификация текста произведена с помощью омоглифов — переупорядочивания текста, добавления невидимых символов и удаления символов случайным образом. Сеть генерации модификаций основана на генеративно-состязательной архитектуре нейронных сетей. Основные результаты. Проведенные эксперименты продемонстрировали результативность метода тестирования на основе сети генерации текстовых состязательных примеров. Преимущество разработанного метода заключается в возможности генерации более естественных и разнообразных состязательных примеров, которые обладают меньшими ограничениями, не требуется многократных запросов к тестируемой модели. Это может быть применимо в более сложных сценариях тестирования, где взаимодействие с моделью ограничено. Эксперименты показали, что разработанный метод позволил добиться лучшего баланса результативности и скрытности текстовых состязательных примеров (например, протестированы модели GigaChat и YaGPT). Обсуждение. Результаты работы показали необходимость проведения тестирования на наличие дефектов и уязвимостей, которые могут эксплуатировать злоумышленники с целью снижения качества функционирования лингвистических моделей. Это указывает на большой потенциал в вопросах обеспечения надежности моделей машинного обучения. Перспективным направлением являются проблемы восстановления уровня защищенности (конфиденциальности, доступности и целостности) лингвистических моделей машинного обучения.

Оценка движения играет решающую роль при кодировании видео. Адаптивный алгоритм шаблонного поиска (Adaptive Rood Pattern Search, ARPS) является известным алгоритмом быстрой оценки движения. При этом ARPS имеет следующие ограничения: отсутствие точного начального вектора движения; фиксированный порог предварительного суждения о нулевом движении (Zero Motion Prejudgment, ZMP), неподходящий для видеопоследовательностей с быстрым движением; повторяющееся использование шаблона единичного движения (Unit Rood Pattern, URP), что приводит к увеличению вычислительной сложности. Для решения данных ограничений предложен новый алгоритм под названием «Эффективный адаптивный алгоритм шаблонного поиска» (Efficient Adaptive Rood Pattern Search, EARPS). В основе EARPS лежит алгоритм полного поиска, который получает оптимальные векторы движения для первого столбца в каждом кадре, принимает динамический порог ZMP, который адаптируется к различным скоростям движения в видеопоследовательностях, и использует URP один раз для уменьшения вычислительных затрат. Выполнена оценка и сравнение производительности нового алгоритма EARPS и алгоритма ARPS с использованием различных видеопоследовательностей для различных скоростей движения. Количество точек поиска и пиковое отношение сигнал-шум (Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR) использованы для количественной оценки сложности и точности вычислений. Экспериментальные результаты показали, что EARPS превосходит ARPS с точки зрения вычислительной сложности, сохраняя при этом высокую степень точности PSNR. Основной вклад предложенного алгоритма оценки движения EARPS заключается в достижении высокой скорости с приемлемой точностью, независимо от скорости движения в видеокадрах. Алгоритм EARPS по сравнению с ARPS, обеспечил более эффективный метод оценки движения с более широкой применимостью в обработке видео. Полученный результат является значительным вкладом в разработку эффективных алгоритмов оценки движения.

В современном мире широкое использование информационных и коммуникационных технологий привело к накоплению огромных и разнообразных объемов данных, широко известных как большие данные. Это обуславливает потребность в новых концепциях и аналитических методах, которые помогают извлекать важные идеи из быстро растущих объемов цифровых данных. Кластеризация — фундаментальный подход, используемый в интеллектуальном анализе данных для извлечения ценной информации. Несмотря на то, что в различных областях описано и реализовано множество методов кластеризации, данное разнообразие усложняет задачу отслеживания последних достижений в области больших данных. Работа направлена на всестороннюю оценку алгоритмов кластеризации, разработанных для больших данных, с выделением их различных функций. Выполнены эмпирические оценки шести больших наборов данных с использованием нескольких показателей достоверности и времени вычислений для оценки производительности рассматриваемых методов кластеризации.

Введение. Несмотря на широкое распространение средств автоматического распознавания речи и сопровождения видео субтитрами, язык жестов по-прежнему является ключевым средством коммуникации для людей с нарушениями слуха. Важной задачей в процессе автоматического распознавания жестового языка является сегментация видео на фрагменты, соответствующие отдельным словам. В отличие от известных методов сегментации слов жестового языка, предложен подход, не требующий использования сенсоров (акселерометров). Метод. Для сегментации видео на слова использована оценка динамики изображения, а граница между словами определена с помощью порогового значения. На практике в кадре, кроме диктора, могут присутствовать сторонние движущиеся объекты, которые создают шум. В связи с этим предложено оценить динамику по среднему изменению от кадра к кадру евклидова расстояния между координатными характеристиками кисти, предплечья, глаз и рта. Вычисление координатных характеристик рук и головы осуществлено с помощью библиотеки MediaPipe. Основные результаты. Разработанный алгоритм апробирован для жестового вьетнамского языка на открытом наборе из 4364 видео, собранном во Вьетнамском центре обучения языку жестов. Алгоритм продемонстрировал высокую точность, сопоставимую с ручной сегментацией видео оператором, и низкую ресурсоемкость, что позволяет его использовать при автоматическом распознавании жестов в реальном времени. Обсуждение. Выполненные эксперименты показали, что задача сегментации языка жестов в отличие от известных методов может быть эффективно решена без использования сенсоров. Как и другие методы сегментации жестов, предложенный алгоритм неудовлетворительно работает при высокой скорости жестового языка, когда имеет место наложение слов друг на друга. Данная проблема является предметом дальнейших исследований.

Введение. Решение задачи предсказания иммунного ответа организма на чужеродные фрагменты белковых последовательностей, обработанные клеткой, является ключевым этапом разработки персонализированных вакцин от рака. Отбор пептидов, участвующих в иммунном ответе, представляет собой сложный многоступенчатый процесс фильтрации исходных последовательностей для презентации их фрагментов на поверхности клетки. Наиболее изученной является задача предсказания одного из этапов такой фильтрации — вероятности связывания пептидов с молекулами главного комплекса гистосовместимости. Современные методы предсказания данного этапа обычно основаны на алгоритмах, использующих искусственные нейронные сети, что не позволяет в должной мере интерпретировать результаты работы моделей. Одним из методов решения проблемы является использование интерпретируемых скрытых марковских моделей. В работе выполнен анализ задачи предсказания связывающей способности и предложен метод построения интерпретируемых моделей, учитывающих ограничения и требования предметной области. Метод. Разработан метод построения, обучения и интерпретации скрытых марковских моделей для каждого класса молекул. Построение и обучение моделей основано на поддержании архитектуры модели, способной извлекать и визуализировать связываемый участок пептида. Интерпретация возможна благодаря анализу графа модели. Основные результаты. Предложенный метод протестирован в задаче обучения модели, позволяющей помимо предсказания получать позицию связываемого участка пептида и распределение аминокислот в нем. Обучены модели предсказания для двух разновидностей молекул с использованием данных связывания. Распределения аминокислот связываемого участка совпадают с распределениями состояний модели. Паттерны последовательностей участков, извлеченные с помощью обученных моделей для двух наборов пептидных данных, соответствуют паттернам из открытых источников, что подтверждает успешную апробацию метода. Обсуждение. Интерпретируемые модели лучше описывают предметную область задачи и помогают сделать выводы о характеристиках пептидов, основываясь на информации, извлеченной из модели. Эта информация позволит исследователям лучше понять остальные шаги процессинга пептидов при иммунном ответе: изучить взаимосвязи между ними и произвести перенос знаний из моделей, обученных для одного этапа, на другие. Таким образом, предлагаемый метод построения позволит обучать модели в условиях недостатка обучающих данных.

Введение. Планирование вычислений занимает важное место в процессе проектирования распределенных систем обработки информации и управления, особенно в условиях ограничения вычислительных и энергетических ресурсов системы. Эти ограничения особенно остро проявляются для вычислителей, размещенных на автономных носителях, таких как беспилотные летательные аппараты, необитаемые подводные и надводные аппараты. В данной работе представлен метод планирования заданий в распределенной вычислительной системе на кристалле, который позволяет сократить потребляемую системой мощность. Метод. Предложенный метод включает два этапа. На первом этапе осуществляется назначение заданий с определением энергоэффективной архитектуры системы, характеризующейся минимальной потребляемой мощностью. На втором этапе выполняется планирование заданий с учетом критерия, позволяющего минимизировать среднее время пребывания задания в системе. Особенностью решаемой задачи является появление в общем случае у разрабатываемой системы после первого этапа более одного информационного выхода, что не позволяет применять к системе ни один из известных методов планирования. Основные результаты. Первый этап метода реализован введением дополнительных процессоров с одновременным снижением тактовой частоты и напряжения питания. Для второго этапа предложен алгоритм планирования заданий, который выполняет предварительное построение для каждого выхода системы частного плана с дальнейшим их интегрированием в общий план путем применения эвристической процедуры. Приведен пример решения для пояснения работы алгоритма планирования. Обсуждение. Достоинством эвристического алгоритма является возможность планирования вычислений с учетом критериев минимумов потребляемой мощности и среднего времени пребывания задания в системе. Это позволяет повысить энергоэффективность решения задач в распределенных вычислительных системах на кристалле и автономность систем, в которых они применяются. Предложенный алгоритм обладает полиномиальной сложностью, поэтому благодаря относительной простоте алгоритма возможно его применение при планировании и перепланировании заданий в реальном времени в сложных системах.

Введение. Разработана система маршрутизации клиентов на основе их эмоционального состояния и возраста в системах обслуживания населения. Для разработки моделей предложен метод Squeeze-and-Excitation (SE), который отличается от существующих методов тем, что позволяет улучшить эффективность глубокой сверточной нейронной сети архитектуры, повышая информационный поток между слоями и усиливая важные признаки. SE метод основан на сжатии и возбуждении информации на каждом этапе свертки, что позволяет получить вектор оценок важности по каналам и использовать его для перевзвешивания каналов карты признаков. В работе показано, что SE метод позволил улучшить качество классификации и сократить время обучения модели. Метод. Для проведения маршрутизации клиентов в зависимости от их эмоционального состояния и возраста разработана математическая модель эмоциональной целевой маршрутизации на основе интерполяционного многочлена Ньютона. Интерполяционная функция в предложенной модели выполняет расчет времени ожидания клиентов в соответствии с их эмоциональным состоянием. Разработаны три модели бинарной классификации эмоций и возрастов: две модели для распознавания эмоционального состояния клиента и одна — для распознавания возраста. В первой и третьей моделях представлена глубокая сверточная нейронная сеть с использованием нового подхода SE на основе механизма внимания. Во второй модели применен метод опорных векторов. Основные результаты. Для тестирования модели после ее обучения применен метод evaluate, позволяющий оценить качество модели на новых данных, которые не были использованы при ее обучении. Это осуществлено для проверки, насколько точно модель может предсказывать значения целевой переменной на новых данных. Метод evaluate использует метрики оценки качества модели, такие как точность (accuracy), полнота (recall), F1-мера (F1-score). Выполнено сравнение эффективности методов на наборах данных FER-2013 и Adience, а также результатах, полученных в настоящей работе, с результатами, описанными в научных работах, опубликованных в базе данных Scopus. Согласно полученным экспериментальным данным, первая и вторая разработанные модели достигли точности валидации 72 % и 66 % соответственно, а их размеры составили 0,69 МБ и 369 МБ. В то же время модель распознавания возраста достигла точности 88 % при размере 1,68 МБ. Математическая модель эмоциональной целевой маршрутизации разработана для минимизирования конфликтов в системах обслуживания населения. Разработанная система может автоматически направлять клиентов по маршрутам в зависимости от их эмоционального состояния (наличия злости) и возраста к соответствующему оператору. Таким образом, клиенты старше 60 лет или с уровнем злости 60–80 % направляются к старшему оператору, который имеет опыт общения, с пожилыми клиентами или клиентами в возбужденном эмоциональном состоянии, а клиенты с уровнем злости 80–100 % направляются к психологу. Обсуждение. Результаты исследования могут быть применены в системах обслуживания населения для распознавания возраста и признаков злости клиентов. Разработанная система может быть применена, в различных областях, где есть контакт с большим количеством людей (например, банки, супермаркеты, системы контроля доступа в аэропортах, полицейские участки, метро и колл-центры).

В последнее время неуверенное малоподвижное состояние человека превратилось в новую проблему для его здоровья. Бездействие в течение длительного времени является значительным фактором риска для всех взрослых возрастных групп людей, особенно чрезмерное использование транспортных средств для передвижения. Сенсоры упрощают отслеживание привычек сидения в течение всего активного периода. Тем не менее, эксперты расходятся во мнениях относительно наиболее подходящих объективных показателей для сбора совокупной информации о малоподвижном образе жизни человека в течение дня. Из-за расхождений в методах измерения и обработки данных, а также при отсутствии основных показателей результатов, таких как кумулятивный период малоподвижного образа жизни, оценка моделей малоподвижного образа жизни часто нереалистична. В работе предложен новый подход адаптивных вычислений (с мимолетной детализацией) для распознавания конкретных примеров повседневной деятельности человека. Многомерная переходная информация получена из сложных единиц (основных ячеек). Предлагаемые масштабируемые алгоритмы могут идентифицировать постоянные модели поведения с оценкой временных рамок, используя собранные широко распространенные многомерные данные (мимолетная степень детализации). Подтверждена применимость разработанного подхода с помощью дифференцирования вычислений доказательства на двух подтвержденных наборах данных. Приведена оценка отношений, точности и применимости малоподвижных факторов. 

Введение. Предложен новый метод гарантированного решения задачи мультиклассовой классификации стохастических объектов. Метод. В рамках разработанного подхода результат классификации представляет собой конечное множество индексов классов, которое с заданным начальным коэффициентом доверия содержит индекс того класса, которому соответствует классифицируемый объект. При этом классификация реализована на базе использования классификатора нового типа, который назван доверительным липшицевым классификатором. Основные результаты. Дано определение доверительного липшицева классификатора и изучены его основные свойства. В том числе исследовано свойство гарантированной надежности классификации, которое выражено в построении доверительного множества ограниченного размера, которое содержит индекс истинного класса с наперед заданным коэффициентом доверия. Приведен случай ассамблеи липшицевых классификаторов, свойства которой оформлены в виде теоремы. Рассмотрен практически важный пример использования предложенного подхода в задачах компенсации динамики шумового процесса в каналах оптоволоконной системы мониторинга. Обсуждение. Разработанный подход перспективен для применения в тех классификационных задачах, в которых число классов имеет порядок выше второго. В том числе в широкомасштабных системах биометрической идентификации личности, а также в многоканальных системах мониторинга протяженных объектов.

Введение. Рассмотрен подход к синтезу и разработке многомерных нечетких интервально-логических регуляторов в созданной среде визуального программирования, генерирующей программный код регуляторов для контроллеров Simatic S7-300 и S7-400. Метод. Многомерные интервально-логические регуляторы используют математический аппарат нечетких регуляторов со смешанной (трапециевидной и прямоугольной) функцией принадлежности µ, равной единице. Предложенная модификация регуляторов является авторской разработкой и предназначена для использования в системах управления с достаточно большим объемом продукционных правил, описывающих логику сложного технологического объекта без адекватной математической модели. Программное обеспечение среды визуальной разработки учитывает требования действующих редакций стандартов ГОСТ Р МЭК 61131-3 и 61131-7. Основные результаты. Представлен базовый вариант блок- схемы многомерного интервально-логического регулятора. Приведены схемы интерпретации непрерывных физических величин эквивалентной совокупностью термов. Сформулирован пропорциональный алгоритм деинтервализации. Показано, что синтез и программирование данной модификации нечетких регуляторов заключается в определении векторов термов входных и выходных непрерывных величин, а также взаимных связей между ними, составлении системы продукционных правил и выборе соответствующего алгоритма деинтервализации. Описан подход к разработке многомерных интервально-логических регуляторов при помощи специальных программных средств (редакторов и приложений), входящих в состав среды визуальной разработки. Обсуждение. Предложенный подход обеспечивает наглядное и быстрое создание функциональных блоков регуляторов для программируемых логических контроллеров Simatic S7-300 и S7-400. При этом имеется возможность анализа и симуляции работы системы продукционных правил и регуляторов в целом, что позволяет сократить сроки разработки и отладки систем управления на их основе.

Введение. Рассмотрено решение математической задачи вращения объемной поверхности в пространстве с ортогональным базисом и ее отображением на плоскости с использованием простых геометрических фигур. Данная задача возникает при сопровождении подвижных объектов на фоне окружающей обстановки. Конструктивной особенностью таких систем является то, что в их составе имеются функциональные дополнительные элементы, которые обеспечивают получение информации о маневрирующем объекте наблюдения и вырабатывают сигналы управления для отработки возникшей ошибки. Подобная операция выполняется непрерывно в реальном масштабе времени. Предполагается, что данная задача решается с использованием цифровой вычислительной машины, а изменение угла визирования наблюдаемого подвижного объекта будет фиксироваться в отдельные интервалы времени, т. е. парциально (дискретно). Начальное состояние системы координат может быть представлено в матричном виде, соответственно переход в конечное состояние осуществляется в дискретные моменты времени. Метод. Задача решена в аналитическом виде. Сформулирован ряд ограничений по величине векторов и по их взаимному ориентированию в пространстве. Предложенный подход позволяет повысить наглядность и предсказуемость выполняемых операций за счет перехода от нелинейных тригонометрических уравнений к простейшим линейным операциям. Для демонстрации корректности выполнения и наглядности применения предложенного векторно-алгебраического подхода фон окружающей обстановки представлен в *.off формате (geomview object file format). Основные результаты. Получены конечные выражения для вращения системы координат твердого тела с неподвижным центром масс. Обсуждение. Полученные решения формализованы на основе строгих математических преобразований и относятся к классу задач, в которых аналитические соотношения точно описывают данные, т. е. когда при отсутствии ошибок измерений остаточный вектор системы всегда равен нулю. Такой подход позволяет уйти от выполнения преобразований над сложными нелинейными математическими выражениями.

Введение. Для работы в условиях неструктурированного окружения роботы должны обладать свойством пассивности, которое может быть реализовано с помощью алгоритмов управления и физических эластичных элементов. Гибкие элементы могут быть использованы для рекуперации энергии, абсорбировании пиковых ударных нагрузок и для упрощения системы управления в целом, снижая требования к точности информации об окружении робота. Моделирование гибких тел, например с помощью метода конечных элементов, вычислительно требовательно, что ограничивает возможности имитационного моделирования динамического поведения роботов с гибкими элементами. В работе предложен подход аналитического и имитационного моделирований гибких сочленений с помощью плоского случая модели пространственной пружины, который обеспечивает высокую скорость моделирования без потери точности. Синтез модели гибкого сочленения заключается в численной оптимизации нелинейных диаграмм жесткости вращательной и поступательных степеней свободы для плоского случая модели пространственной пружины. Синтезированная модель гибкого сочленения позволяет описать относительное движение двух звеньев. Метод. На первом этапе синтеза гибкое сочленение оптимизировано методом конечных элементов для поиска опорных данных о приложенной нагрузке и соответствующих деформациях. На втором этапе решена оптимизационная задача поиска нелинейных диаграмм жесткости для плоского случая модели пространственной пружины, при этом в качестве критерия выступает минимизация ошибки между опорными данными и оптимизируемой моделью пружины. На третьем этапе полученные результаты верифицированы посредством имитационного моделирования и/или натурного эксперимента. Основные результаты. Предложен метод аналитического и имитационного моделирования гибких сочленений с помощью модели пространственной пружины. Разработана процедура оптимизации жесткости модели пружины. Проведена верификация в среде имитационного моделирования и натурный эксперимент. Выполнено сравнение моделирований методом конечных элементов, моделирования с помощью модели пружины и результатов натурного эксперимента. Данные эксперимента подтвердили применимость модели пространственной пружины для имитационного моделирования гибких сочленений различных топологий. Представленный метод позволяет проводить расчет имитационной модели гибкого сочленения примерно вдвое быстрее по сравнению с методом конечных элементов. Обсуждение. Предложенная модель гибкого сочленения применима для повышения скорости имитационного моделирования мехатронных и робототехнических систем с гибкими сочленениями без потери точности. Апробация метода планируется при проектировании локомоционных, манипуляционных, носимых роботов и захватных устройств.

Введение. При создании новых магнитоупорядоченных фаз материалов используются технологии твердотельного синтеза в реакционных тиглях. Конечный результат процесса синтеза в реакционных тиглях обусловлен технологическими факторами, режимом прохождения тока и его плотностью, достигаемой температурой в реакционной зоне, временем воздействия, геометрическими параметрами тигля и реакционной зоны и другими факторами. В работе приведены результаты исследования влияния степени заполнения реакционного объема тигля расплавом олова на процессы тепло- и массопереноса при его электротермической обработке. Метод. Предложена модель, описывающая диффузионные процессы в реакционной зоне в ходе синтеза интерметаллидов железа и олова при электротермическом воздействии. Исследование процесса диффузии в реакционных тиглях системы железо-олово выполнено методом конечных элементов в программной среде Comsol Multiphysics. Основные результаты. Показано, что снижение степени заполнения реакционного тигля компонентами синтеза приводит к изменению распределения плотности тока и понижению температуры в реакционной зоне, что влияет на процессы массопереноса. Обсуждение. Результаты работы могут быть использованы при анализе экспериментальных данных по получению интерметаллидов методом реакционного синтеза и определении необходимых технологических параметров для синтеза новых материалов.

Предложен модифицированный метод измерения показателя преломления треугольной призмы с помощью автоколлимационной гониометрической системы, предназначенной для измерения углов, образованных плоскими поверхностями объектов. Метод предполагает использование неподвижного зеркала для отражения преломленного луча, измерение углов падения луча на грань призмы, соответствующие положениям автоколлимации и расчет показателя преломления материала призмы на основе решения системы уравнений. Приведены результаты экспериментального исследования треугольной призмы из оптического стекла марки K8 с помощью предложенного метода и их сравнение с показаниями, полученными с помощью Государственного первичного эталона единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021. Применение предложенного метода позволит упростить процесс измерений показателя преломления, в связи с тем, что нет необходимости измерения угла отклонения луча призмой.