Введение. Исследованы фазовые превращения, происходящие в окалине при воздействии на нее наносекундными лазерными импульсами. Определен исходный фазовый состав окалины и фазовый состав поверхностного слоя, подвергшегося лазерному воздействию. Обработка поверхности образцов осуществлялась в испарительном режиме лазерного воздействия и приводила к абляции окалины. Метод. Исследовались две группы образцов из листового горячекатаного проката углеродистой стали марки Ст3 (Е235-С, Fe 360-С). Первая группа состояла из образцов с исходной поверхностью окалины и образцов с механически шлифованной поверхностью. Исследовались фазовый и элементный составы, а также морфологические параметры исходной окалины. Во вторую группу были включены образцы с поверхностью окалины, обработанной наносекундными лазерными импульсами наносекундного иттербиевого волоконного лазера с максимальной средней мощностью 30 Вт. Для сканирования поверхности образцов пучком лазерного излучения применялась двухкоординатная сканирующая система на основе гальваносканеров. Фазовый состав окалины определялся методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Морфологические параметры поверхности и элементный состав образцов исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и энергодисперсионного анализа. Основные результаты. Исследования фазового состава исходной окалины показали, что она состоит в основном из магнетита, при этом вюстит в составе окалины обнаружен не был. Установлено, что при обработке окалины в испарительном режиме в зоне воздействия лазерного импульса формируется кратер, поверхность которого покрыта застывшим расплавом окалины. В расплаве происходит фазовое превращение с образованием вюстита. При застывании расплав растрескивается, что связано с произошедшим фазовым превращением. Показано, что в процессе лазерной очистки испарительному механизму удаления окалины сопутствует фазовое превращение смеси магнетита с металлическим железом в вюстит. Обсуждение. Полученные результаты могут быть положены в основу создания новой высокоэффективной технологии лазерной очистки поверхности стали от окалины.

Введение. Исследованы особенности нагрева пленки селенида свинца (PbSe) при воздействии непрерывным лазерным излучением с учетом зарождения и увеличения толщины оксидной фазы. Показано, что окисление пленки PbSe приводит к снижению скорости нагревания и падению максимальной температуры за счет уменьшения доли поглощенного лазерного излучения в оксидной фазе. Результаты моделирования, представленные в работе, стали обоснованием ранее полученных экспериментальных результатов. Объяснение механизма лазерного нагревания пленки PbSe впервые позволило определить наиболее эффективную длительность лазерного воздействия, обеспечивающую формирование структур с заданными оптическими характеристиками. Метод. Исследование выполнено методом аналитического моделирования. Для описания теплового источника использовалось частное решение уравнения теплопроводности. Оптические свойства пленки описывались на основе формул Френеля для отражения и пропускания света. На основании полученных ранее экспериментальных данных создана аналитическая модель, описывающая тепловой источник в пленке с учетом изменения ее оптических свойств за счет формирования слоя оксида PbSe и увеличения его толщины. Основные результаты. Показано, что при воздействии на пленку PbSe непрерывным лазерным излучением с длиной волны 405 нм, вследствие образования слоя оксида, происходит снижение коэффициента экстинкции пленки kf со значения 0,488 до величины 1,62·10–3. При этом показатель преломления пленки nf также снижается со значения 3,532 до 1,925. Коэффициент поглощения пленки на длине волны лазерного излучения за время облучения уменьшается с 0,68 до 0,03. По мере увеличения толщины оксидной фазы от 0 до 600 нм происходит замедление роста температуры в зоне облучения и смещение максимального значения температуры с поверхности к границе пленка–подложка. При воздействии непрерывным лазерным излучением с плотностью мощности около 340 Вт/см2 в течение 9 с максимальная температура пленки не превышает 275 °С. Обсуждение. Полученные результаты могут быть применены при разработке фотодетекторов на основе пленок PbSe для работы в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Лазерный отжиг пленки позволяет локально и контролируемо изменять оптические и электрические характеристики пленки PbSe в небольшом диапазоне значений, что влияет на фоточувствительность пленки, используемой в качестве детектора среднего и дальнего инфракрасного излучения.

Введение. В настоящее время разработка новых нанокомпозитных материалов с улучшенными фотоката литическими и антибактериальными свойствами представляет собой актуальную задачу для экологически чистых технологий очистки воды и воздуха. В работе приведены результаты исследования порошковых нанокомпозитов ZnO-ZnCr2O4 и Cu/ZnO-ZnCr2O4, полученных полимерно-солевым методом. Метод. Для синтеза нанокомпозитов использовали растворы нитратов цинка и хрома с добавлением поливинилпирролидона в качестве растворимого органического полимера. Структура и морфология нанокомпозитов исследованы методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, оптические и люминесцентные свойства — с использованием спектроскопических методов. Основные результаты. В результате термообработки при 550 °С получены дисперсные порошки нанокомпозитов, состоящие из частиц размером несколько микрометров, включающих гексагональные нанокристаллы оксида цинка со средним размером около16 нм и кристаллы шпинели ZnCr2O4. В спектре люминесценции композита Cu/ZnO-ZnCr2O4 в видимой области наблюдаются полосы флуоресценции, характерные для кристаллов ZnCr2O4 и структурных дефектов кристаллов оксида цинка. Установлено, что интенсивность фотогенерации синглетного кислорода нанокомпозитом Cu/ZnO ZnCr2O4 линейно зависит от плотности мощности возбуждающего излучения (длина волны 405 нм). Выявлена антибактериальная активность нанокомпозита Cu/ZnO-ZnCr2O4 в отношении бактерий Staphylococcus aureus ATCC 209P. Обсуждение. Полученные нанокомпозитные порошки могут быть использованы в системах очистки и обеззараживания воды и воздуха.

Введение. Технология лазерной обработки позволила повысить точность обработки поверхности заготовки. При этом сохраняются проблемы, связанные с поддержанием положения перетяжки пучка на неровных поверхностях. Неровности поверхности вызывают расфокусировку и неперпендикулярное выравнивание, что приводит к искажениям размера и формы лазерного пятна, снижающим качество обработки. Метод. Разработана математическая модель и схема моделирования для анализа ошибок позиционирования лазерного пучка при обработке поверхностей. Используя средства решения дифференциальных уравнений MATLAB и метод конечных элементов, моделирование позволило рассчитать величины изменения угла падения лазерного излучения и фокусного расстояния, влияющие на характеристики проекции луча на поверхность. Основные результаты. Полученные результаты показывают, что расфокусировка и несоосность увеличивают и искажают проекцию пучка на поверхность, а большие углы падения вызывают эллиптическую деформацию. Обсуждение. Моделирование имеет решающее значение для понимания взаимодействия лазерного излучения и материала в неоптимальных условиях, таких как расфокусировка и несоосность. Оно дает критическое представление о геометрических искажениях лазерного пучка, позволяя разработать точные методы обнаружения ошибок проекции пучка на поверхность. Кроме того, эти результаты закладывают основу для разработки адаптивных механизмов, повышающих точность и надежность лазерной обработки поверхности материала и решающих проблемы, связанные с неровной поверхностью заготовок. Этот подход направлен на оптимизацию качества лазерной обработки и расширение ее применимости в высокоточном производстве. 

Введение. Представлены теоретические и экспериментальные исследования возможности повышения чувствительности рефрактивного волоконно-оптического датчика, принцип работы которого основан на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Конструкция чувствительного элемента состоит из последовательного соединения многомодового (MMF), одномодового (SMF) и многомодового волокна со структурой MMF-SMF MMF. Для создания эффекта поверхностного плазмонного резонанса на одномодовый участок наносятся последовательно покрытия из металла (меди (Cu)) и диэлектрика (оксида алюминия (Al2O3), диоксида титана (TiO2)), что позволяет получить более узкие резонансные пики. В результате упрощается процесс детектирования изменения длины волны и повышается чувствительность датчика. Метод. Математическое моделирование чувствительного элемента с многослойной поверхностной структурой выполнено с применением характеристических матриц. Матрицы составляются для каждого слоя чувствительного элемента в отдельности, после чего формируется характеристическая матрица всей структуры и рассчитывается коэффициент пропускания. По результатам моделирования выбираются варианты диэлектрического покрытия, определяются толщины слоев, позволяющие получить наименьшую ширину резонансного пика. Основные результаты. Для апробации результатов моделирования изготовлены образцы чувствительных элементов c диэлектрическим покрытием Al2O3 толщиной 60 и 100 нм и с покрытием TiO2 толщиной 50 и 100 нм. Получены спектры пропускания чувствительных элементов на воздухе, в воде и спирте. Показано, что покрытие TiO2 толщиной 50 нм позволяет повысить чувствительность волоконно-оптического датчика на основе поверхностного плазмонного резонанса в три раза по сравнению с чувствительным элементом без диэлектрического покрытия. Обсуждение. Предложенный подход к усовершенствованию конструкции волоконно-оптического датчика дает возможность сместить получаемые резонансные максимумы в инфракрасную область спектра. Показана возможность применения более доступных волоконно-оптических элементов для работы с исследуемым датчиком.

Введение. Представлены результаты компьютерного моделирования процессов плавления и кристаллизации наночастиц золота сферической формы. Методом молекулярной динамики выполнен анализ термодинамических характеристик (температуры, теплоты, энтропии плавления и кристаллизации) наночастиц для различных скоростей нагрева и охлаждения. Такие исследование позволяют выбирать наиболее подходящие температурные диапазоны формирования нанокристаллических структур и предсказывать их размеры. Уменьшение размера наночастиц золота (менее 100 нм) приводит к значительному увеличению соотношения площади поверхности и объема частиц, в результате чего физические и химические характеристики материала существенно изменяются по сравнению с характеристиками этого же материала в объемной форме. Интерес к наночастицам золота обусловлен усиленной фотоэмиссией, высокими электро- и теплопроводностью, повышенной каталитической активностью поверхности. Наночастицы золота обладают сильным оптическим поглощением и рассеивающими свойствами в видимой области спектра вследствие поверхностных плазмонных колебаний свободных электронов. В известных из литературы исследованиях обнаружено, что с увеличением размера наночастиц гистерезис между температурой плавления и кристаллизации увеличивается, в то время как в теории макроскопические температуры плавления и кристаллизации должны быть одинаковыми. Новизна представленного в данной работе исследования состоит в выявлении ранее не наблюдаемой тенденции к сближению макроскопических температур, теплоты и энтропии плавления и кристаллизации при уменьшении скоростей нагрева и охлаждения. Метод. Для изучения термодинамических свойств наночастиц золота применен метод классической молекулярной динамики. Предметом моделирования выбраны наночастицы золота различных размеров сферической формы с гранецентрированной кубической решеткой. В процессе моделирования применялся межатомный потенциал, соответствующий методу «погруженного атома», который был разработан для золота с использованием улучшенной методологии «согласования сил». Моделировались нагрев и охлаждение наночастиц при скоростях изменения температуры 0,1 ТК/с, 1 ТК/с, 3 ТК/с. Основные результаты. Путем анализа взаимосвязи потенциальной энергии наночастиц золота и температуры выявлена зависимость температуры плавления и температуры кристаллизации наночастиц от их размера. Установлена связь между размером наночастиц, теплотой, энтропией плавления и кристаллизации при различных скоростях нагрева и охлаждения. Показано, что при уменьшении скоростей нагрева и охлаждения от 3 ТК/с до 0,1 ТК/с происходит «сближение» макроскопических значений температур плавления и кристаллизации (уменьшение разницы от 467 К до 158 К), макроскопических значений теплоты плавления и кристаллизации (от 4,24 кДж/моль до 0,67 кДж/моль), энтропии плавления и кристаллизации (от 1,99 Дж/(моль·К) до 0,16 Дж/(моль·К)). Сделано предположение, что это связано с уменьшением доли образующихся наноструктур, отличных от кубических гранецентрированных. Обсуждение. Предсказание температурных режимов плавления и кристаллизации наночастиц золота позволяет управлять фазовыми переходами при изготовлении нанокристаллов с заданными свойствами. Это явление может найти применение в микроэлектронике для формирования тонких пленок с высокой степенью однородности, в катализе для формирования наночастиц с нужными структурами и свойствами.

Введение. Исследованы технологические процессы изготовления инерциальных чувствительных элементов изделий микроэлектромеханических систем. Изучено влияние площади травления на кинетические параметры процесса глубокого реактивно-ионного травления, позволяющего формировать кремниевые структуры с высоким аспектным соотношением для изготовления микромеханических акселерометров и гироскопов. Метод. Инерциальные чувствительные элементы микромеханических акселерометров были изготовлены на подложке диаметром 150 мм по усовершенствованному технологическому процессу, позволяющему минимизировать площадь травления на этапе формирования приборного слоя, который состоит из инерционной массы, упругого подвеса, управляющих и измерительных электродов, изоляционной рамки. Значения геометрических параметров кремниевых структур приборного слоя были получены путем анализа профилей инерциальных чувствительных элементов на сканирующем электронном микроскопе. Исследованы элементы приборного слоя по всему диаметру в радиальном и тангенциальном направлениях подложки для определения разброса геометрических параметров инерциальных чувствительных элементов. Основные результаты. Представлен технологический процесс изготовления инерциальных чувствительных элементов, позволяющий снизить площадь травления на этапе формирования приборного слоя, за счет альтернативного способа вскрытия области вывода контактов. Основываясь на измерениях геометрических параметров кремниевых структур приборного слоя, установлено, что размеры элементов и их отклонения изменяются в радиальном направлении от центра подложки к краю. Разброс значений геометрических параметров кремниевых структур инерциальных чувствительных элементов, изготовленных по усовершенствованному технологическому процессу на подложке диаметром 150 мм, был снижен до 0,4 мкм, а разброс их отклонений уменьшен до 0,2 мкм. Обсуждение. Предложенный технологический процесс может быть использован для повышения выхода годных при изготовлении инерциальных чувствительных элементов и однородности функциональных характеристик изделий микроэлектромеханических систем, таких как акселерометры и гироскопы. Результаты работы могут быть применены при проектировании технологических процессов изготовления новых инерциальных чувствительных элементов.

Введение. Рассмотрена задача адаптивного оценивания частот мультисинусоидального переменного во времени параметра дискретной линейной системы первого порядка с применением результата в задаче адаптивного управления. Предполагается, что амплитуды, частоты и фазы гармоник переменного параметра неизвестны, однако известно число этих гармоник. Новизна предлагаемого подхода заключается в том, что идентификация частот происходит даже при пересечении выходом системы нуля, когда недоступна информация о нестационарном параметре. В этом случае при использовании предложенного решения в задаче адаптивного управления рассматриваемым объектом идентификация частот и работа наблюдателя динамики переменного параметра происходят независимо, что повышает скорость и точность автонастройки параметров регулятора. Метод. Задача решается путем преобразования модели объекта к линейной по неизвестным частотам регрессии, на базе которой синтезируются алгоритмы идентификации. В работе применяется два алгоритма идентификации. Первый представляет собой стандартный градиентный алгоритм, в то время как второй — алгоритм адаптации с улучшенной сходимостью, обеспеченной за счет накопления предыдущих значений регрессора, и называется алгоритмом адаптации с памятью регрессора. Задача управления решена с использованием: принципа непосредственной компенсации; принципа внутренней модели, согласно которому переменный параметр представляется в виде выхода динамической автономной модели (экзосистемы) и внедрении этой модели в структуру закона управления; наблюдателя состояния экзосистемы; одного из двух предложенных идентификаторов частоты; формулы пересчета оценок частот в вектор настраиваемых параметров регулятора. Основные результаты. Приведена процедура сведения нестационарной системы к линейной по неизвестным частотам регрессионной модели, на базе которой построены алгоритмы идентификации. Полученное решение использовано в задаче непрямого (идентификационного) адаптивного управления рассматриваемой нестационарной системы. Обсуждение. Главной отличительной чертой предложенного решения является независимость полученных алгоритмов идентификации от свойства наблюдаемости нестационарного параметра, что повышает быстродействие и точность алгоритмов непрямого адаптивного управления рассматриваемым классом линейных нестационарных систем. Представленное решение может быть использовано при решении задач управления системами с параметрическим резонансом. 

Введение. Рассмотрена проблема создания файловой системы с характеристиками, отличными от универсальных, для хранения данных интеллектуальных систем видеонаблюдения. Доступ к файловой системе является определяющим фактором, от которого зависит быстродействие всей системы. Cкорость выполнения операций с данными определяется не только быстротой работы шины данных и наличием современного процессора, но и драйвером доступа к жесткому диску, который может ограничивать возможности системы выполнять основные функции: наблюдение, анализ изображений, определение образов и событий. Существует потребность в использовании более производительного сервера, что требует дополнительных материальных затрат, в разработке специализированной файловой системы для повышения скорости записи и чтения с жесткого диска. Использование специализированной файловой системы, ориентированной на решение одной или ограниченного числа задач, может значительно повысить скорость работы системы при использовании серверов с одинаковыми техническими характеристиками. В интеллектуальных системах видеонаблюдения применение специализированной файловой системы может обеспечить повышение скорости обработки изображений и точности определения объектов в видеопотоке благодаря повышению скорости записи и чтения данных с диска. Анализ существующих файловых систем показал, что имеющиеся решения не позволяют обеспечить требуемую скорость работы с данными в интеллектуальных системах видеонаблюдения при наличии ограничений на количество и мощность используемых технических средств. Предложена специализированная файловая система для хранения данных систем интеллектуального видеонаблюдения. Метод. Разработана файловая система с описанием, ориентированная на решение задачи хранения данных в системах интеллектуального наблюдения. Используемая база данных обладает функциями чтения, поиска, записи и обновления структурированных данных, размещенных в ее таблицах. База данных оптимизирована для работы с данными интеллектуальных систем видеонаблюдения, имеет ограниченную размерность столбцов, задаваемую в соответствии с размещаемыми в ней сущностями. Особенность база данных состоит в том, что она постоянно находится в оперативной памяти, синхронизация данных с жестким диском выполняется через заданный интервал времени. Примененная база данных, подобно Redis, работает значительно быстрее традиционных. Разработанный драйвер действует напрямую с жестким диском, не использует функции операционной системы, что повышает скорость работы с данными. Основные результаты. Сравнение скорости записи и чтения данных при использовании разработанного и существующих универсальных драйверов показало, что применение нового драйвера позволяет повысить скорость записи и чтения на 43,4 % относительно New Technology File System (NTFS). Обсуждение. В рамках проведенного исследования выполнена разработка файловой системы для интеллектуальных систем видеонаблюдения. Отмечено, что подобные специализированные файловые системы могут разрабатываться для применения в других областях, где требуется повысить скорость (снизить время) записи и чтения данных с диска.

Введение. Кластеризация является одним из фундаментальных подходов для интеллектуального анализа данных, который в сфере геоинформатики и обработки изображений используется для поиска знаний и скрытых закономерностей пространственной информации. При автоматической векторизации объектов на спутниковых снимках из-за несовершенства этих технологий на линейных и полигональных объектах появляются пропущенные элементы, что препятствует полноценному анализу и визуализации данных. Представлен новый метод кластеризации геометрических примитивов с неявно выраженной полигональной структурой с возможностью устранения неполных данных в векторных моделях. Метод. Предлагаемый метод основан на итерационном формировании пространственных структур при растяжении исходных объектов линейного типа. В отличие от многих подходов кластеризации элементы группируются в кластеры не по принципу ближайшего евклидова расстояния, а за счет определения ближайшего пересечения между отрезками. Такой подход позволяет корректно разделить рядом стоящие линейные объекты в разные кластеры. Для формирующихся пространственных структур на каждой итерации в зависимости от коэффициента растяжения вычисляются их топологические особенности, что обеспечивает возможность обнаруживать и проводить фильтрацию неявно выраженных полигональных структур. Основные результаты. Разработанный метод апробирован для кластеризации линейных геометрических примитивов на векторных моделях городской инфраструктуры. Проведено сравнение работы метода с аналогами: k-средних, Density-Based Spatial Clastering of Application with Noise (DBSCAN) и агломеративной кластеризацией. Исследования показали, что с использованием метрики оценки качества кластеризации в виде индексов инерции и Жаккара предложенный метод имеет преимущество в случаях корректного разделения близко расположенных кластеров. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы в геоинформационных системах для актуализации векторных данных после применения технологий автоматической векторизации объектов на спутниковых снимках.

Введение. Наблюдаемый мир иерархически структурирован. Механизм взаимодействия встречных информационных потоков в иерархически организованной системе был назван «адаптивным резонансом» и успешно промоделирован полвека назад в искусственной нейронной сети, анализирующей обонятельные стимулы, а затем — при распознавании изображений. В дальнейшем полезный потенциал совместного применения в нейронных сетях принципов структурного анализа и адаптивного резонанса долго не использовался. В последние годы эти принципы были применены в капсульных сетях и позволили превзойти результаты, достигнутые другими моделями нейронных сетей. Это показало необходимость систематизировать использованные пути их реализации. Метод. Выполнен анализ научно-технических работ, опубликованных за последние 50 лет по применению принципов структурного анализа и адаптивного резонанса при обработке изображений в искусственных нейронных сетях. Основные результаты. Сравнительный анализ подтвердил эффективность применения этих принципов при решении задач автоматической обработки изображений и выявил пути их наиболее эффективной реализации в искусственных нейронных сетях. Обсуждение. В связи с успехами, достигнутыми сверточными сетями при распознавании изображений, их разработчики не применяли связанные с особенностями организации наблюдаемого мира принципы структурного анализа и адаптивного резонанса. Однако использование данных принципов позволяет более эффективно решать задачи обработки изображений, и дальнейшие исследования в области искусственных нейронных сетей целесообразно проводить в этом направлении.

Введение. При передаче информации по каналам с группирующимися ошибками традиционным подходом является декорреляция канала и использование кодов, исправляющих независимые ошибки. Процедура декорреляции понижает достижимые скорости надежной передачи, поэтому актуальной является задача использования специальных кодов для каналов с памятью и построения эффективных вычислительных методов декодирования для исправления группирующихся ошибок. Для класса случайных кодов известен подход с использованием информационных совокупностей ограниченного диаметра при исправлении пакетов ошибок. Размер множества информационных совокупностей растет линейно с увеличением длины кода, а построение множества описывается вероятностной процедурой. В работе рассматривается построение множества информационных совокупностей для специального класса кодов, исправляющих пакеты ошибок, называемого кодами Гилберта. Метод. Рассмотрены множества кодовых позиций наименьшего возможного диаметра. На основе вычисления рангов подматриц проверочной матрицы кода Гилберта оценена вероятность того, что набор позиций является информационной совокупностью. Для заданного расположения информационной совокупности проанализированы позиции исправляемых пакетов. На основании проведенного анализа предложена методика построения множества плотных информационных совокупностей для кодов Гилберта с целью исправления всех пакетов ошибок в пределах корректирующей способности кода. Используя особенности задания параметров кодов Гилберта, проведена оценка размера полученного множества плотных информационных совокупностей. Основные результаты. При простом размере блока проверочной матрицы квазициклического кода показано, что для кодов Гилберта на любой позиции находится плотная информационная совокупность. Установлено, что в случае расширенных кодов Гилберта совокупности минимального диаметра существуют только на последней позиции каждого блока. Предложена процедура построения множества плотных информационных совокупностей минимального диаметра для кодов Гилберта и их расширений. Проведено сравнение размера множества информационных совокупностей и вероятность его получения для кодов Гилберта и случайных кодов. Установлено, что количество информационных совокупностей, полученных по предложенной процедуре, не растет с увеличением длины кода. Обсуждение. Полученные в работе результаты, показывают возможность разработки вычислительно эффективных декодеров на основе информационных совокупностей при исправлении однократных пакетов ошибок. В отличие от случайных линейных кодов, для которых методы построения информационных совокупностей, в том числе плотных, носят вероятностный характер, для кодов Гилберта определена процедура гарантированного построения множества информационных совокупностей минимального диаметра. Квазициклическая структура кодов Гилберта позволяет строить множества плотных информационных совокупностей меньшей размерности, чем для случайных кодов. Полученные результаты позволяют гарантировать исправление пакетов ошибок в пределах корректирующей способности кодов Гилберта и их расширений с малой вычислительной сложностью. Использование вычислительно эффективных процедур кодирования и декодирования пакетов ошибок позволит повысить надежность доставки сообщений в каналах с памятью.

Введение. Автоматизация регистрации поведения лабораторных животных необходима для упрощения проведения поведенческих тестов в исследованиях в области патофизиологии и реабилитации. Регистрация поведения чаще всего выполняется с помощью анализа траекторий ключевых точек скелета. При этом существующие методы привязаны к конкретному виду животного, выбранным скелетным точкам и набору движений для распознавания. В настоящее время отсутствует математическая формулировка задачи, а алгоритмы фильтрации полученных траекторий недостаточно исследованы. В работе создан набор данных для детекции ключевых точек крыс линии Wistar и выполнена оценка алгоритмов фильтрации траекторий по зашумленным измерениям. При этом в данной задаче важна не только близость отфильтрованной траектории к реальной, но и гладкость полученной кривой. Метод. В рассмотренной скелетной модели крысы выбраны 13 точек, позволяющих оценить ее поведение по траекториям. Полученный набор данных позволяет обучить сверточную нейронную сеть для детекции ключевых точек скелета. Представлено математическое описание динамики движения точек между кадрами для использования в фильтре Калмана. Проведено сравнение четырех алгоритмов фильтрации по критериям точности и гладкости кривой. Основные результаты. Разработана методика построения ковариационной матрицы шума детектора по анализу ошибок детекции ключевых точек. Показана применимость фильтра Калмана в задаче оценки траекторий ключевых точек скелета по зашумленным измерениям. Сравнение алгоритмов фильтрации показало, что в данной задаче лучшие результаты показывает Unscented фильтр Калмана с нелинейной моделью и фильтр скользящего среднего. Обсуждение. Полученное математическое описание динамики движения ключевых точек скелета может быть использовано для оценки реальной траектории по зашумленным измерениям. При этом описанные методы применимы не только для лабораторных животных, но и для человека. Результаты оценки нескольких алгоритмов фильтрации могут в дальнейшем облегчить выбор алгоритма для использования в подобных задачах. Предобработка траекторий поможет в будущем уменьшить ошибки классификатора поведения и повысить его точность.

Введение. Исследованы методы сравнения трехмерных изображений в задачах геологического моделирования пласта с целью повышения их качества. Предлагаемый в данной работе метод сочетает в себе такие преимущества, как глобальное представление формы, инвариантность к трансформациям, устойчивость к шумам и вычислительную эффективность. Разработан и обоснован подход, основанный на применении моментов изображений для анализа геологических данных в задачах геологического моделирования пласта. Метод. Решение задачи сравнения трехмерных изображений достигается применением математического аппарата алгебраических инвариантов. Сущность предлагаемого подхода состоит в вычислении моментов трехмерных изображений для сравнения инвариантов контуров эталона и образца. Результатом сравнения является количественная метрика соответствия сравниваемого контура искомому эталону. Основные результаты. Разработаны программные средства, встроенные в общий конвейер моделирования и анализа пакета Gempy. Метод показал удовлетворительные результаты работы на тестовой геологической модели. Точность распознавания позволяет использовать разработанные средства как рекомендательную систему. Подтверждена возможность применения предлагаемого метода для поиска заданного объекта в геологической модели и ограниченная применимость для верификации упрощенной модели в ходе итерационного расчета. Обсуждение. Выполнено сравнение разработанного метода с метрикой Хаусдорфа, методом сравнения поперечных срезов, методом сравнения ключевых точек с помощью алгоритмов SIFT и SURF, а также методом интерполяции на сетке. Показано, что для представленного метода возможно расширение области применения на более сложных геологических образованиях для работы с неоднородными структурами. Разработанные средства можно интегрировать с системами геологического моделирования, системами управления базами данных и аналитическими платформами.

Введение. Рассматривается возможность использования российского профиля протокола Fast Healthcare Interoperability Resources (FHIR) RU-core для разработки медицинских информационных систем. Усиленная квалифицированная электронная подпись применяется для защиты информации уже длительное время, однако, совместно с протоколом FHIR RU-core для защиты медицинских информационных систем — впервые. В работе предложен процесс внедрения усиленной квалифицированной электронной подписи для организаций, разрабатывающих безопасное программное обеспечение для медицинских информационных систем. Для достижения цели были решены следующие задачи: проанализированы русские и зарубежные научные работы, и составлена таблица возможностей использования протокола FHIR, выработан пошаговый план внедрения усиленной квалифицированной электронной подписи. Метод. Для решения задачи внедрения усиленной квалифицированной электронной подписи был разработан программный код, который позволяет передавать чувствительные медицинские данные безопасно. Проведена реализация криптографической защиты информации при помощи российских стандартов интеграции различных медицинских информационных систем. В отечественной версии протокола FHIR встроена усиленная квалифицированная электронная подпись для защищенного обмена данными. Корректный обмен медицинскими документами возможен при использовании российских версий протокола и сертификатов. Проведена стандартизация применения российского профиля протокола FHIR RU-core для медицинских информационных систем с новым функционалом. Протокол FHIR RU-core был внедрен в медицинские информационные системы, развернутые в аттестованных центрах обработки данных. Стандарт FHIR RU-core является наиболее инновационным инструментом для отечественных медицинских систем, так как находится в открытом доступе, и удобен для применения медицинским сообществом. Метод ориентирован на безопасную интеграцию медицинских информационных систем для развития региональных сервисов для врачей, пациентов и организаторов цифрового здравоохранения. Основные результаты. Полученные результаты заключаются в адаптации международного опыта использования протокола FHIR для российской действительности и в уточнении метода внедрения усиленной квалифицированной электронной подписи без потери пропускной способности в медицинских информационных системах. Практический результат показывает, что использование российской усиленной квалифицированной электронной подписи удовлетворяет требованиям информационной безопасности для новых медицинских информационных систем и позволяет передавать чувствительные данные без потери качества и скорости. Обсуждение. Сделан вывод о необходимости внедрения системного подхода к использованию российского профиля протокола FHIR RU-core для новых медицинских информационных систем с целью дальнейшего развития цифрового здравоохранения. Результаты работы могут быть ценным ресурсом для архитекторов и разработчиков программного обеспечения медицинских информационных систем, а также специалистов по информационной безопасности.

Введение. В настоящий момент активно развиваются различные методы восстановления изображений на основе методов глубокого машинного обучения. С помощью таких методов решаются задачи восстановления утраченных областей, подавления шумов и увеличения разрешения изображений. В задаче увеличения разрешения важную роль играют методы, основанные на применении референсных изображений, позволяющих восстановить недостающую информацию на основном изображении. Такие методы реализуются с использованием сверточных нейронных сетей, широко востребованных в задачах компьютерного зрения. В применяемых в настоящее время методах область изображения, не представленная на референсном изображении, часто отличается худшим качеством по сравнению с остальным изображением, что заметно визуально. Наряду со сверточными нейронными сетями в задачах восстановления изображений активно применяются диффузионные модели, позволяющие генерировать изображения с высоким качеством и четкостью, однако их недостатком часто бывает несоответствие сгенерированных деталей реальным. В работе обсуждается проблема улучшения качества восстановления изображений на основе применения референсных изображений с использованием диффузионной модели. Метод. Для получения хорошего конечного результата предложена гибридная архитектура нейронной сети диффузионной модели, состоящая из трех основных блоков: базового модуля диффузионной модели, модуля использования референсной информации и модуля слияния. Обучение предложенной гибридной модели, а также сравниваемой с ней сверточной нейронной сети, использующей референсные изображения, и диффузионной моделью выполнено с использованием набора данных Large-Scale Multi-Reference Dataset (LMR). Основные результаты. По результатам тестирования обученных моделей на тестовой выборке набора данных LMR проведено качественное (визуальное) и количественное сравнение работы трех моделей. Гибридная модель продемонстрировала более высокое качество, четкость и однородность изображения в сравнении со сверточной нейронной сетью с использованием референсных изображений и лучшее восстановление реальных деталей по сравнению с диффузионной моделью. Количественные оценки подтвердили, что гибридная модель также показала более высокие результаты по сравнению с остальными моделями. Обсуждение. Результаты работы могут быть использованы для увеличения разрешения любых изображений с использованием референсной информации.

Введение. В работе исследованы проблемы автоматической проверки соответствия поведения реагирующей системы формализованным требованиям, а именно, автоматической верификации. Реагирующая система описывается в форме взаимосвязанных автоматных объектов. Формализованные требования записываются в виде обусловленных регулярных выражений. Показано, что в этом случае возможна математически достоверная верификация системы. Метод. Предложенное решение основано на применении языка спецификации взаимодействия автоматных объектов Cooperative Interaction of Automaton Objects (CIAO). В данной работе рассматривается третья версия языка, CIAO v.3, в котором определены средства описания автоматных классов, средства инстанциации автоматных объектов и связывания этих объектов в систему с помощью схемы связей. Верифицируемые требования заданы с помощью так называемых обусловленных регулярных выражений, построенных над множеством элементарных действий и условий, определенных в системе. Разработан программный инструмент, который, используя схему связей, строит семантический граф — ориентированный граф, в котором все пути из начальных узлов представляют протоколы выполнения автоматной программы, задавая тем самым семантику реагирующей системы. Выполнена проверка соответствия автоматной программы требованию, определяемому обусловленным регулярным выражением. В случае обнаружения несоответствия инструмент показывает место, где именно семантический граф не соответствует требованию. Основные результаты. Разработаны алгоритмы, позволяющие проводить автоматическую верификацию реагирующих систем относительно формализованных требований определенного класса. Рассмотрен пример программы, демонстрирующий управление работой лифта на языке CIAO v.3 и проведена верификация построенной реагирующей системы на соответствие формально заданным требованиям. Обсуждение. Продемонстрирована программная реализации инструмента автоматической верификации программы на языке CIAO v.3.

Введение. Информационный поиск с использованием алгоритмов машинного обучения основывается на преобразовании исходных мультимодальных документов в векторные представления, далее строится индекс векторных представлений и производится поиск внутри индекса. Популярным способом построения индекса является кластеризация векторных представлений, например с помощью k-ближайших соседей. В работе предложен метод кластеризации с помощью ансамбля небрежных решающих деревьев, а также алгоритм векторного поиска на основе этого метода. Разработанный метод кластеризации является детерминированным и предоставляет возможность сериализации параметров ансамбля. Метод. Сущность метода состоит в обучении ансамбля двоичных или троичных небрежных решающих деревьев. Этот ансамбль используется для вычисления хэша для каждого из исходных векторных представлений. Векторные представления, имеющие одинаковый хэш, считаются принадлежащими к одному кластеру. Для поиска выбирается несколько кластеров, центроиды которых наиболее приближены к векторному представлению поискового запроса, после чего производится полный перебор векторных представлений выбранных кластеров. Основные результаты. Представленный метод показывает качество поиска, сравнимое с широко используемыми в индустрии библиотеками векторного поиска Faiss, Annoy и HNSWlib. Для протестированного набора данных с евклидовой метрикой расстояния предложенный метод поиска медленнее, чем существующие решения, но для протестированного набора данных с угловой метрикой расстояния результат сравним или лучше. Обсуждение. Разработанный метод может быть применен для улучшения качества поиска при создании мультимодальных поисковых систем. Возможность сериализации позволяет кластеризовать данные на одном вычислительном узле и передавать параметры ансамбля на другой вычислительный узел, что дает возможность использовать предложенный алгоритм в распределенных системах.

Введение. Идентификация параметров линейных электрических цепей относится к задачам анализа и обратным задачам физики. Современные исследования в этой области преимущественно сводятся к определению импульсной характеристики и/или передаточной функции электрической цепи. Задачи идентификации параметров линейных электрических цепей обычно ограничиваются выявлением двух-трех последовательно и/или параллельно соединенных линейных компонентов или T- и П-образных четырехполюсников. Идентификация параметров в этом случае происходит путем исследования схемы в режимах короткого замыкания и холостого хода. Существуют несколько частных решений задачи идентификации на одной заданной частоте. В работе предложено решение задачи идентификации параметров линейных электрических цепей с использованием полиномов, выражающих комплексную мощность и дополнительных уравнений. Метод. Для решения задачи идентификации параметров пассивного линейного двухполюсника разработан метод синтеза основных уравнений с использованием разности комплексной мощности, вычисленной аналитически и полученной в результате приборных измерений, и представленной интерполяционным полиномом. Разработан метод синтеза дополнительных уравнений на основании производных по частоте от комплексных сопротивления и проводимости. Верхняя граница числа независимых уравнений оценивается как мощность множества степеней при круговой частоте, входящей в состав исследуемого полинома. Оценка наибольшего числа независимых уравнений позволяет сделать вывод о разрешимости задачи с применением основных уравнений, а также необходимости формирования дополнительных уравнений. Решения задачи идентификации параметров линейных пассивных электрических цепей реализуются численно методами компьютерной алгебры. Основные результаты. Практическое применение разработанных методов показано на примере численного моделирования. В качестве примера практического применения предлагаемых методов показано решение задачи определения параметров компонентов реальной схемы. Моделирование реализовано в программной среде Wolfram Mathematica. Обсуждение. Предложенное решение, в отличие от известных подходов, позволяет определять параметры компонентов линейных пассивных электрических цепей (двухполюсников). Разработан метод синтеза уравнений на основании разностей комплексной мощности, полученной в результате аналитического расчета и приборных измерений. Представлен метод синтеза дополнительных уравнений путем дифференцирования по частоте комплексных сопротивления и проводимости. Внедрение метода позволяет получить относительно простые формы уравнений. Уравнения можно синтезировать заранее для наиболее распространенных типовых схем.

Введение. Качество применения активных средств защиты информации от утечки по виброакустическому каналу традиционно оценивается по измеряемому значению соотношения уровня сигнал/шум. В этом случае для проверки защищенности выполняются измерения в нескольких контрольных точках, при этом размер выборки сравнительно мал, а процесс измерений является трудоемким. В настоящей работе учтены ранее полученные результаты исследований и моделирования распространения акустических волн в защищаемом помещении. Предлагается вместе с измеряемыми значениями соотношения сигнал/шум на поверхностях ограждающих конструкций рассчитывать речевую разборчивость в каждой точке внешней ограждающей поверхности. Заключение о защищенности помещения от утечки информации по виброакустическому каналу делается в результате сравнения полученных значений со шкалой оценки качества перехваченного речевого сообщения. Метод. Предложенный метод оценки защищенности помещения основан на компьютерном моделировании распространения звука. Рассмотрено взаимодействие акустических колебаний воздуха со стеной как одного из базовых ограждающих элементов помещения. Представленный подход применим и для анализа других элементов конструкции помещения. Конечно-элементная модель стены реализована в программе ANSYS. Модель предусматривает закрепление виброакустического излучателя на поверхности стены с одной стороны, а источника звука на некотором расстоянии от ее поверхности. В каждой точке с противоположной стороны поверхности стены вычисляется соотношение сигнал/шум. Уровню сигнала соответствуют значения колебаний поверхности стены под действием источника звука, а уровню шума — под действием виброизлучателя, прикрепленного к стене с внутренней стороны. Основные результаты. На основе экспериментального моделирования дана оценка полученных значений разборчивости речи на всей поверхности стены путем их сопоставления с принятой в практике защиты шкалой оценки качества перехваченного речевого сообщения. Обсуждение. Разработанный метод позволяет определять наименее защищенные места исследуемого помещения путем составления карт распределения разборчивости речи на поверхностях стен и других ограждающих конструкций. Исследование может найти применение при создании системы защиты информации от утечки по виброакустическому каналу. Проверка защищенности ограждающих конструкций с применением предложенного метода компьютерного моделирования позволяет выбрать рациональное расположение средств защиты, их количество, а также уточнить защищенность помещений, оцениваемую с использованием традиционных методов.

Представлены результаты разработки программно-аппаратной конфигурируемой платформы, предназначенной для создания сложных киберфизических систем, например, таких как многооперационные технологические и лабораторные роботизированные установки, подразумевающие параллельное выполнение прикладных заданий с учетом ограничений реального времени. Разработанная архитектура платформы позволяет сочетать системные и прикладные вычислительные процессы со смешанной по характеру требований реального времени критичностью функций. В рамках создания платформы предложены специализированные модели организации вычислительного процесса с необходимым инструментарием и языками разработки, методы создания компонентов платформы, архитектурные шаблоны проектирования целевых систем на базе платформы. Представлены планы дальнейшего развития и использования платформы.

Предложена конструкция устройства для перемещения чувствительного элемента (компрессионной трубки, цилиндра Фарадея или другого датчика) относительно атомарного или ионного пучка с целью измерения профиля его интенсивности. Устройство представляет собой двухосевой манипулятор с механической регулировкой, построенный по принципу вакуумного ввода движения с деформируемым уплотнительным элементом (металлическим сильфоном). Измерительная система, основанная на манипуляторе, успешно применена для построения профилей интенсивности пучков атомарной и ионной ступеней источника поляризованных ионов (POLarized Ion Source, POLIS). Измерения проводились в рамках эксперимента PolFusion, который направлен на изучение двойного поляризованного ядерного синтеза и осуществляется в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский Институт» — ПИЯФ).