Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

УЧЁТ МНОГОЧАСТИЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ J-АГРЕГАТАХ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЭТИХ СИСТЕМАХ Веретенов Н. А., Левинский Б. Н., Нестеров Л. А., Розанов Н. Н., Федоров С. В., Файнберг Б. Д.
1
В работе обобщаются материалы исследований, проведенных авторами за последние годы, и анализируются полученные результаты. Предметом статьи является учет многочастичных взаимодействий в резонансно-возбуждаемых лазерным излучением J-агрегатах. При таком рассмотрении принимаются во внимание не только парные взаимодействия, но и взаимодействия данной частицы с тремя и большим числом частиц одновременно. Среди проведенных исследований можно выделить три основных направления. В рамках первого направления решалась задача вывода из первых принципов системы уравнений движения для молекул J-агрегатов с учетом многочастичных взаимодействий, а также парных корреляций между частицами. Вывод уравнений из первых принципов приводит в общем случае к системе взаимозацепляющихся уравнений для средних от произведения n операторов, относящихся к n разным молекулам системы. Поскольку от уравнения к уравнению n возрастает, то возникают проблемы, связанные с расцеплением этой системы, а также факторизацией средних наивысшего порядка. Отдельную и наиболее сложную задачу при этом представляет корректное вычисление релаксационных членов, возникающих при учете механизма экситон-экситонной аннигиляции. Первое направление конкретно связано с рассмотрением и решением всех вышеперечисленных задач. В рамках второго направления на основе выведенных уравнений проводилось исследование бистабильности в рассматриваемых системах при конкретном учете трехчастичных взаимодействий. При этом основное внимание было уделено анализу однородных режимов в J-агрегатах. В частности, показано, что учет многочастичных вкладов сдвигает границу существования бистабильности в область меньших констант экситон-экситонной аннигиляции. Наконец, третье направление исследований связано с анализом модуляционной неустойчивости для стационарных состояний J-агрегатов, рассмотренных и изученных при исследовании бистабильности в рамках второго направления. Проведено изучение границ областей устойчивости и неустойчивости и их сопоставление с границами существования бистабильности. Полученные результаты позволяют более надежно выделить область параметров, где могут наблюдаться существенно нелинейные эффекты, которые можно было бы использовать для создания схем молекулярной памяти и, в более широком контексте, для создания устройств оптической логики.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

ГКР СПЕКТРОСКОПИЯ МОЛЕКУЛ БАКТЕРИОРОДОПСИНА, АДСОРБИРОВАННЫХ НА СЕРЕБРЯНЫЕ НАНООСТРОВКОВЫЕ ПЛЕНКИ Хайслер Ф. ., Пилюгина Е. С., Червинский С. Д., Самусев А. К., Липовский А. А.
18
Представлены результаты экспериментов по поверхностно-усиленной рамановской (ГКР) спектроскопии молекул бактериородопсина в пурпурных мембранах, адсорбированных на самоорганизованных серебряных наноостровковых пленках. Островки серебра формировались на поверхности натрий-кальциевого силикатного стекла в результате ионного обмена в расплаве смеси нитратов серебра и натрия, Ag0,05Na0,95NO3, при температуре 325°C в течение 20 минут и последующем отжиге в водородной атмосфере при температуре 250°C в течение 10 минут. Типичные пленки состояли из расположенных близко друг к другу островков размером 20–30 нм. В ходе тестирования в качестве подложек для ГКР спектроскопии островковые пленки позволили наблюдать соответствующие характер- ные линии комбинационного рассеяния от высушенной капли водного раствора родамина 6G с концентрацией  10–6 моль/л. Аналогичным образом изготовленные подложки были использованы для исследования ГКР спектров бактериородопсина в пурпурных мембранах, диспергированных в воде. Нами были зарегистрированы линии комбинационного рассеяния в областях 1000–1020 см–1, 1150–1220 см–1 и 1530–1570см–1. Подложки со наноостровковыми пленками серебра позволили зарегистрировать характерные линии комбинационного рассеяния бактериородопсина с концентрацией лишь на порядок меньшей, чем в случае стеклянной подложки. Таким образом, усиление сигнала комбинационного рассеяния оказалось существенно меньшим, чем в случае родамина 6G. Предположительно, это связано с тем, что молекулы бактериородопсина упакованы в белковый кристалл, что не позволяет им проникать в промежутки между островками серебра, где локальное усиление электрического поля падающей волны максимально

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

23
 Методами молекулярной динамики исследован процесс лазерной абляции при воздействии на металлы сверхкоротких лазерных импульсов. Выясняется действенность и применимость гибридной атомистически-непрерывной модели для оценки оптимальных режимов обработки сверхкороткими лазерными импульсами. Предложено сочетание атомистической модели лазерно-индуцированного процесса неравновесного фазового перехода на атомном уровне с непрерывной двухтемпературной моделью для описания динамики фотовозбуждения свободных носителей. Показана применимость модели лазерной абляции на примере пленок алюминия и золота при воздействии импульсов с различной плотностью энергии и длительностью. Показано, что в зависимости от соотношения длительности лазерного импульса и характерного времени электрон-фононного взаимодействия материала реализуются фототермический и фотомеханический режимы разрушения, которые определяют качество и производительность лазерной обработки. Установлено, что при длительности лазерного импульса меньше времени электрон-фононного взаимодействия реализуется высокопроизводительный фотомеханический характер разрушения за счет возникших в области воздействия внутренних напряжений. Это подтверждается линейной  зависимостью скорости абляции от поглощенной энергии. При длительности лазерного импульса больше времени электрон-фононного взаимодействия реализуется малопроизводительный фототермический режим разрушения. Результаты работы могут быть полезны специалистам, занимающимся разработкой лазерных технологий. 

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

32
Рассмотрена задача формирования количественной оценки транспортного запаздывания линейных непрерывных систем. Основной результат получен с помощью фундаментальной матрицы решения системы линейных дифференциальных уравнений, заданной в нормальной форме Коши, для случая, как одномерных систем, так и для систем типа «многомерный вход-многомерный выход». Особенное свойство фундаментальной матрицы состоит в том, что весовая функция системы может быть сформирована как свободная составляющая движения этой системы, порождаемая вектором начального состояния, совпадающим с матрицей–столбцом входа исследуемой системы. Таким образом, использование свойств фундаментальной матрицы решения системы позволило решить задачу оценки транспортного запаздывания линейной непрерывной системы без использования помехонезащищенной в аппаратной среде операции дифференцирования и без формирования экзогенного воздействия. Полученные результаты апробированы на примере задачи оценки транспортного запаздывания системы, представляющей собой последовательное соединение апериодических звеньев первого порядка с одинаковыми постоянными времени. Результаты моделирова- ния подтвердили справедливость полученных математических выкладок. Знание транспортного запаздывания может быть использовано при настройке многоагрегатных технологических комплексов и при диагностике их возможного функционального вырождения при эксплуатации

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ПРИ ИСКРОВОМ ПЛАЗМЕННОМ СПЕКАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Булат Л. П., Пшенай-Северин Д. А., Нефедова И. А., Новотельнова А. В., Гуревич Ю. Г.
38
Постановка проблемы. Повышение термоэлектрической добротности термоэлектриков связывают с использованием наноструктурированных термоэлектрических материалов, полученных из порошков методом искрового плазменного спекания. Сохранение наноструктуры порошка в процессе спекания возможно при оптимальных температурных режимах их получения. Выбор этих режимов осложнен свойствами термоэлектриков – анизотропных полупроводниковых материалов. Решение данной проблемы путем моделирования процесса спекания требует грамотного подхода к постановке задачи и корректного задания свойств термоэлектриков и материалов, входящих в рабочую установку, а также граничных условий. В представленной работе предложена работоспособная модель спекания термоэлектриков. Методы. Рассматривается процесс спекания термоэлектрического материала – теллурида висмута с использованием установки SPS-511S. Учитываются температурные зависимости электро- и теплопроводности теллурида висмута, а также материалов, из которых изготовлены элементы установки. Показано, что распределение температуры в образце может быть определено в рамках стационарной задачи. Моделирование выполняется в программном продукте Comsol Multiphysics. Граничные условия включают конвективный теплообмен и излучение по закону Стефана– Больцмана. Результаты. Проведено компьютерное моделирование электро- и теплофизических процессов, протекающих при искровом плазменном спекании. Получено распределение температуры и потенциала в образце при спекании. Показана определяющая роль в формировании температурного поля в образцах графитовой пресс-формы. Проанализиро- вано влияние геометрических размеров графитовой пресс-формы на условия спекания наноструктурированных термоэлектриков. Практическая значимость. Установлены оптимальные размеры цилиндрической пресс-формы для получения однородных по объему образцов на основе теллурида висмута. Показаны пути модификации процесса спекания, позволяющие создавать образцы термоэлектриков с прогнозируемыми свойствами. 
ВЛИЯНИЕ ОДНОСТАДИЙНОЙ ОБРАБОТКИ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИМИ ВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Евстропьев С. К., Волынкин В. М., Шашкин А. В., Дукельский К. В., Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Поляков В. И.
46
 Приведены основные результаты исследования влияния обработки кварцевой керамики кремнийсодержащими и алюминийсодержащими гелеобразующими водными растворами на ее прочность и пористость. Для пропитки образцов пористой кварцевой керамики предложены и изготовлены водно-спиртовые растворы на основе тетраэтоксисилана (ТЕOS, Si(C2H5O)4) с добавками нитрата алюминия. Образцы керамики пропитывались растворами при комнатной температуре в течение 12 мин. После пропитки образцы подвергались сушке при комнатной температуре в течение 24 ч и термообработке в электрической муфельной печи. Проведенные эксперименты показали, что пропитка гелеобразующими растворами пористых образцов кварцевой керамики даже без дополнительной термообработки приводит к увеличению прочности необожженных образцов в 6–7 раз. Высокотемпературная термообработка предварительно пропитанных керамических образцов приводит к разложению нитрата алюминия и удалению ор- ганических остатков, а также упрочнению образовавшихся дополнительных связей между частицами материала. Это также значительно улучшает прочностные характеристики кварцевой керамики. Таким образом, экспериментально показана возможность значительного упрочнения пористой кварцевой керамики и увеличения стабильности ее прочностных свойств путем предварительной пропитки кремнийсодержащими и алюминийсодержащими гелеобразующими растворами даже без дополнительной термообработки. Выявлено, что пропитка образцов пористой кварцевой керамики этими растворами приводит лишь к незначительному уменьшению пористости образцов. Последующая термообработка пропитанных пористых керамических образцов при температуре 900–1200 ºС приводит к дополнительному значительному увеличению их механической прочности
ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МИНЕРАЛ-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ Игнатьева Ю. А., Успенская М. В., Борисов О. В., Олехнович Р. О., Евсеев Р. А., Касанов К. Н.
52
 Методом радикальной полимеризации в водной среде получены и изучены полимерные композиции на основе акриловых производных и модифицированных ионами серебра частиц бентонита с различной долей и дисперсностью. В качестве исходных веществ выбраны производные частично нейтрализованной акриловой кислоты, акриламида и метиленбисакриламида, а также наполнителя – бентонита с массовой долей 0–0,05%. Продемонстри- ровано влияние концентрации наполнителя на абсорбционные характеристики полимерных материалов в дистиллированной воде. Показано, что увеличение доли минерал-содержащего наполнителя до 5 мас.% приводит к увеличению значений равновесной степени набухания в 1,5–2 раза по сравнению с ненаполненной полимерной матрицей. Наибольшими кинетическими характеристиками обладают акриловые нанокомпозиции с массовой долей модифицированного бентонита 0,01. Исследованы кинетические зависимости набухания новых композиционных материалов в физиологическом растворе от дисперсности наполнителя. Показано, что в области высокой дисперсности (менее 0,25 мм) доля минерал-содержащего наполнителя в количестве 1 мас.% в составе композиции приводит к значительному увеличению значений равновесной степени набухания по сравнению с ненаполненным образцом (в 1,5 раза). Изучен эффект полиэлектролитного подавления набухания полимерных композиций в физиологическом растворе, что приводит к уменьшению в среднем на порядок значений равновесной степени набухания по сравнению с этими значениями в дистиллированной воде. Показана перспективность использования полученных композиций в качестве полимерных матриц при создании раневых повязок для лечения ран различной этиологии. Результаты работы рекомендуются к использованию в медицинской практике для оптимизации протекания раневого процесса
57
 Методом полимеризации in situ получены полимерные композиты на основе матрицы полиамида 12, наполненные 0,1–10 вес.% наноразмерными частицами Cr2O3. В результате выполненных исследований был разработан метод синтеза полимерных нанокомпозитов на основе матрицы полиамида 12, наполненной наноразмерными магнитными частицами Cr2O3, обеспечивающий равномерное встраивание наполнителя в полимерную матрицу без образования агломератов наночастиц. Проведены механические испытания на сжатие образцов и показано, что механические свойства полимерных композитов (модуль Юнга, предельная прочность) понижаются на 20–30% по сравнению с немодифицированным полиамидом 12, синтезированным по выбранной методике. С помощью электронной микроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии определено влияние наполнителя на морфологию и кинетику кристаллизации полимерных нанокомпозитов. Получены значения степени кристаллизации, константы скорости кристаллизации для различных интервалов переохлаждения и параметры уравнений Аврами. Показано, что первичная нуклеация происходит по атермическому механизму и наноразмерные частицы не являются зародышами кристаллообразования. Установлено, что наночастицы встраиваются в полимерную матрицу и равномерно распределяются в кристаллитах. Результаты работы могут быть полезны при создании сенсоров электрических и магнитных полей, создании микроразмерных механических устройств, а также использованы при разработке новых материалов для 3D-принтеров. 
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ЛЮМИНОФОРЫ В СТЕКЛЕ НА ОСНОВЕ СВИНЦОВО-СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ Асеев В. А., Бибик А. Ю., Колобкова Е. В., Некрасова Я. А., Никоноров Н. В., Романов А. Е., Тузова Ю. В., Швалева М. А.
64
Разработан и синтезирован люминесцирующий композит типа «люминофор в стекле» на основе высокопреломляющей свинцово-силикатной матрицы и мелкодисперсного порошка кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного церием. В качестве стеклообразной матрицы была выбрана свинцово-силикатная система  (40SiO2-20PbO-(40–x)PbF2-xAlF3, x=25,15,10,5,0). Для получения композита «люминофор в стекле» исходное стекло измельчалось до порошкообразного состояния (фритта) с размером частицы порядка 50 мкм и затем смешивалось с порошком коммерческого люминофора АИГ:Ce3+ в соотношении 30:70. Получившаяся смесь запрессовывалась в форму под давлением и спекалась на подложке из кварцевого стекла в течение 30 мин при температуре 823 К. Таким образом, была получена плоскопараллельная пластинка композита «люминофор в стекле» диаметром 10 мм. Произведена оптимизация состава стекла с целью снижения потерь света при рассеянии на границе раздела  стекло–люминофор путем подбора показателя преломления. Проведены рентгенофазовые и спектрально- люминесцентные исследования полученного композита. На основании результатов данных исследований показано, что при спекании не происходит деградации порошка YAG:Ce. Исследована зависимость интенсивности люминесценции от температуры в диапазоне от комнатной температуры до 473 К. Показано, что использование люминофора в стекле снижает температурное тушение люминесценции по сравнению с силиконом. С использованием композита «люминофор в стекле» на основе свинцово-силикатных стекол с низкой температурой стеклования создан макет белого светодиода. Получившийся светодиод излучает белый свет с цветовой температурой 4370 К, световая отдача составляет 58 лм/Вт. Разработанный композит может быть использован для производства мощных светодиодов белого света

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

71
Предметом исследования в работе стали методы глубокого обучения, в которых происходит автоматическое построение признаковых преобразований при решении задач распознавания образов. В качестве конкретного типа сетей глубокого обучения были взяты многослойные автоэнкодеры, выполняющие нелинейное преобразование признаков, с логистической регрессией в качестве верхнего слоя, выполняющего классификацию. В целях проверки гипотезы о возможности повышения вероятности распознавания образов в сетях глубокого обучения, традиционно обучаемых послойно методом градиентного спуска, путем глобальной оптимизации параметров сети разработан и реализован оригинальный вариант метода имитации отжига применительно к настройке весов связей автоэнкодеров при дообучении слоя логистической регрессии с помощью стохастического градиентного спуска. Тестирование, проведенное на стандартной базе рукописных символов MNIST, показало уменьшение ошибок распознавания в 1,1–1,5 раза на тестовой выборке в случае модифицированного метода по сравнению с исходным методом, основанным на локальной оптимизации. Таким образом, не возникает эффект чрезмерно близкой подгонки, и подтверждается возможность улучшения качества обучения (в терминах повышения вероятности распознавания) сетей глубокого обучения с помощью методов глобальной оптимизации. Результаты работы могут быть использованы для повышения вероятности распознавания образов в областях, требующих автоматического построения нелинейных признаковых преобразований, в том числе при распознавании изображений.
77
Рассматривается научная задача повышения отношения сигнал/шум речевого сигнала пользователя компьютерных систем и сетей в процессе его голосовой аутентификации. Объект исследования – процесс ввода и выделения речевого сигнала пользователя системы аутентификации в компьютерных системах и сетях. Исследуются методы и средства ввода и выделения речевого сигнала на фоне внешних помеховых сигналов. Экспериментально исследуются пути повышения качества речевого сигнала пользователя в системах голосовой аутентификации. Рассматриваются программно-аппаратные средства экспериментальной установки для ввода и выделения речевого сигнала на фоне внешних помеховых воздействий. Поскольку современные компьютерные средства, в том числе и мобильные, оснащены двухканальной звуковой картой, при вводе речевого сигнала использовалось два микрофона. Расстояние между приемниками акустических волн составляло 20 мм и обеспечивало формирование одного лепестка диаграммы направленности микрофонной решетки в требуемой области регистрации речевого сигнала (от 100 Гц до 8 кГц). Как свидетельствуют результаты экспериментальных исследований, использование направленных свойств предложенной микрофонной решетки и применение пространственно-временной обработки регистрируемых сигналов с адаптивными весовыми коэффициентами позволило существенно снизить влияние помеховых сигналов. Представлены результаты экспериментальных исследований предложенных программно-аппаратных средств ввода и выделения речевых сигналов на фоне помеховых воздействий. Предложенные решения позволяют повысить значение отношения сигнал/шум регистрируемых полезных сигналов до 20 дБ при воздействии внешних помеховых сигналов в диапазоне частот от 4 до 8 кГц. Полученные результаты могут быть полезными специалистам, выполняющим исследования в области распознавания речи, а также различения диктора.
83
Постановка проблемы. Использование традиционных средств коммуникации в глобальных сетях для поддержки научно-исследовательских проектов не может решить специфических проблем, возникающих при совмещении зна-ний в одной и той же области, но выработанных разными научными школами, в разных парадигмах и на различной концептуальной основе. Существующие синхронные (например, Webex или ShowDocument) или асинхронные (Zimbra, Google Docs и другие) программные продукты эффективны лишь тогда, когда пользователи однозначно трактуют контекст исследования и не привносят в него собственных неформализуемых смыслов. В то же время для эффективной работы над научными проектами необходим инструмент, позволяющий в явном виде привносить по-добные смыслы и связывать их с общим контекстом. Методы. Представлено решение проблемы с помощью специализированных средств поддержки совместных науч-ных исследований в среде COLLA, использующих методы представления и инженерии знаний. Показано, что эффек-тивное моделирование многих областей знания требует применения специфических средств моделирования динами-ческого знания, из которых наиболее разработанным является метод куста событий. Результаты. Рассмотрены вопросы совмещения метода куста событий и системы поддержки совместных научных исследований COLLA на примере научно-исследовательских проектов в сейсмологии и вулканологии. Подход апро-бирован на примере двух актуальных задач наук о Земле – оценки сценариев развития геологических катастроф, свя-занных с извержением одного из самых опасных европейских вулканов (Этны), и одного из самых опасных эффек-тов, возникающих при землетрясениях (эффекта местоположения). Практическая значимость. Метод куста событий может использоваться для количественной оценки сходства–различия моделируемых явлений на основе экспертного знания о них, что может иметь практическое значение дале-ко за пределами наук о Земле.
92
Представлена концептуальная модель, архитектура и программная реализация многомодальной системы аудиовизуального синтеза речи и жестового языка по входному тексту. Основными компонентами разработанной многомодальной системы синтеза (жестовый аватар) являются: текстовый процессор анализа входного текста; имитационная трехмерная модель головы человека; компьютерный синтезатор звучащей речи; система синтеза аудиовизуальной речи; имитационная модель верхней части тела и рук человека; многомодальный пользовательский интерфейс, интегрирующий компоненты генерации звучащей, визуальной и жестовой речи по тексту. Предложенная система выполняет автоматическое преобразование входной текстовой информации в речевую (аудиоинформацию) и жестовую (видеоинформацию), объединение и вывод ее в виде мультимедийной информации. На вход системы подается произвольный грамматически корректный текст на русском или чешском языке, который анализируется текстовым процессором для выделения предложений, слов и букв. Далее полученная текстовая информация преобразуется в символы жестовой нотации (используется международная «Гамбургская система нотации» – HamNoSys, которая описывает основные дифференциальные признаки каждого жеста рук: форму кисти, ориентацию руки, место и характер движения), на основе которых трехмерный жестовый аватар воспроизводит элементы жестового языка. Виртуальная трехмерная модель головы и верхней части тела человека реализована на языке моделирования виртуальной реальности VRML и управляется программно средствами графической библиотеки OpenGL. Предложенная многомодальная система синтеза является универсальной, она предназначена как для обычных пользователей, так и для людей с ограниченными возможностями здоровья (в частности, глухих и незрячих людей) и служит для целей мультимедийного аудиовизуального вывода вводимой текстовой информации.
99
 Рассматриваются аспекты информационной безопасности групповых мобильных робототехнических комплексов с роевым интеллектом. Обсуждаются способы осуществления скрытых атак противоборствующей стороны на роевой алгоритм. Выполнено численное моделирование возможных деструктивных информационных воздействий на муравьиный алгоритм поиска кратчайшего пути. Приведена демонстрация последствий атак на муравьиный алгоритм при различной концентрации в рое роботов-диверсантов. Предложены подходы к обеспечению информационной безопасности в роевых робототехнических системах, основанные на реализации принципов централизованного управления безопасностью мобильных агентов. Разработан метод формирования самоорганизующейся системы управления информационной безопасностью роботов-агентов в роевых коллективах, реализующий Police Office Model – модель обеспечения безопасности на основе полицейских участков, которая применяется для обеспечения информационной безопасности мультиагентных систем. В основу метода положено использование в узлах графа сети полицейских участков, на которые возложены функции идентификации и аутентификации агентов, а также выявления диверсантов как по их формальным признакам, так и по их поведению в рое. Предложен перечень программно-аппаратных компонентов полицейских участков, состоящий из каналов связи между роботами- полицейскими, реестра узлов, базы данных агентов и механизмов шифрования и дешифрования. Предложены варианты логики функционирования механизма информационной безопасности роевых систем, отличающиеся временными диаграммами обмена данными между полицейскими участками. Представлен сравнительный анализ реализаций защищенных роевых систем в зависимости от логики функционирования полицейских участков, интегрирован- ный в роевую систему. Показано, что модель безопасности сохраняет способность функционирования в условиях помех при длительности помехи, сопоставимой со временем преодоления агентом пути между полицейскими участками.
110
Предложен подход к адаптации реляционной теории для решения задач систем автоматизированного проектирования интегральных схем. Разработан алгоритм оптимального поиска неявных Don't Care (безразличных) значений. Алгоритм описан в терминах адаптированной теории, что позволило получить простое описание алгоритма как для неформального понимания, так и для формального анализа. Предложенный подход позволяет использо- вать позитивный опыт реляционных баз данных по эффективной (в том числе распределенной) реализации операций реляционной алгебры. Проведен сравнительный анализ предложенного алгоритма и классического алгоритма оптимального поиска неявных Don't Care значений. В ходе сравнительного анализа формально доказана корректность предложенного алгоритма. Показано, что предложенный алгоритм, по сравнению с классическим, имеет значительно меньшую асимптотическую сложность в худшем случае. Поиск неявных Don't Care значений в процессе проектирования интегральных схем позволяет повысить такие качества схем, как занимаемая площадь кристалла, энергопотребление, верифицируемость и надежность. Однако классический алгоритм оптимального поиска неявных Don't Care значений не применяется на практике ввиду его чрезмерно высокой вычислительной сложности. Применение алгоритмов субоптимального поиска не позволяет в полной мере реализовать возможности оптимизации интегральных схем. Реализация предложенного в работе алгоритма в системах автоматизированного проектирования интегральных схем целесообразна в силу значительно меньшей вычислительной сложности, потенциально позволяет улучшить соотношение скорости процесса разработки и качества получаемых интегральных схем в аспектах занимаемой площади кристалла, энергопотребления, верифицируемости и надежности. Предложенный подход делает возможным создание распределенной системы автоматизированного проектирования интегральных схем, что позволит повысить доступную системе вычислительную мощность и автоматизировать проектирование более сложных интегральных схем соответственно. 
ОПТИМИЗАЦИЯ ИНТЕРВАЛОВ ПРОВЕРКИ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ Богатырев В. А., Богатырев А. В., Богатырев С. В.
119
 Предложена марковская модель защищенных информационных систем, функционирующих в условиях деструктивных воздействий, последствия которых обнаруживаются оперативным и тестовым контролем. Предполагается, что оперативный контроль, в отличие от тестового, характеризуется ограниченной полнотой контроля, но не требует остановки вычислительного процесса. Целью исследований является построение моделей, позволяющих оптимизировать интервалы инициализации тестового контроля по критерию максимизации вероятности нахождения системы в состоянии готовности к безопасному выполнению функциональных запросов и минимизации опасных состояний системы с учетом неопределенности и вариантности интенсивности деструктивных воздействий. Рассмотрены варианты задачи оптимизации интервалов тестирования в зависимости от интенсивности деструктивных воздействий по критерию достижения максимума готовности системы к безопасному выполнению запросов. Оптимизация проведена без адаптации и с адаптацией к изменениям реальной интенсивности деструктивных воздействий. Показана эффективность адаптивного изменения периодов тестирования в зависимости от наблюдаемой активности деструктивных воздействий. Решение задачи оптимизации проведено c использованием встроенных средств системы компьютерной математики Mathcad 15, включая средства символьной математики решения систем алгебраических уравнений. Предложенные модели и методы определения оптимальных интервалов тестирования могут найти применение при системотехническом проектировании компьютерных систем и сетей критического применения, работающих в условиях дестабилизирующих воздействий при повышенных требованиях к их безопасности.
126
 В связи с ростом объема текстовой информации все более актуальными становятся системы автоматической обработки текста. Одной из основных задач таких систем является задача семантического анализа. В работе предлагается алгоритм поиска семантических зависимостей между частями предложений анализируемого текста, основанный на сопоставлении текста с базовыми семантическими шаблонами. Каждое предложение, поступающее на вход программы, постепенно сокращается: некоторые части предложения в соответствии с правилами, описанными в семантических шаблонах, добавляются в очередь с приоритетом, после чего на каждой итерации алгоритма из анализируемого предложения изымается та его часть, которая имеет в очереди наибольший приоритет. Для определения приоритета в такой очереди используются два значения: значение приоритета группы, к которой принадлежит семантическая зависимость, описанная в шаблоне, и позиция слова (или последнего слова из набора, если элемент, хранимый в очереди, состоит из нескольких слов) в анализируемом предложении. В ходе работы составлено 2160 базовых семантических шаблонов, а также на языке программирования Java реализован предлагаемый в статье алгоритм. Применение в процессе реализации алгоритма экспертной системы Drools, использующей алгоритм быстрого сопоставления с шаблонами PHREAK, обеспечило высокую скорость работы семантического анализатора. По результатам тестирования сделан вывод, что предложенный алгоритм семантического анализа без использования экспертной системы Drools работает медленнее в среднем в 6–8 раз. Программная реализация алгоритма показала, что результаты работы программы быть использованы в системах автоматической обработки текстов. Разработанный семантический анализатор используется в качестве составного модуля интеллектуальной вопросно-ответной системы. 
133
Рассматривается построение веб-ориентированной автоматизированной системы технологической подготовки производства. Предложено в качестве основы такой системы использовать удаленные приложения и базы данных, находящиеся в «частном облаке». В основе подхода предлагается сервис-ориентированная архитектура, использующая в качестве модулей веб-приложения и веб-сервисы, мультиагентные технологии для реализации функции обмена информацией между составными частями системы и использование PDM-системы для управления технологическими проектами. Предложенная архитектура подразумевает преобразование автоматизированной системы технологической подготовки производства в корпоративную информационную систему, что позволит обеспечить согласованное функционирование подсистем на основе единого информационного пространства, распараллеливание коллективной работы над технологическими проектами и эффективный контроль технологической подготовки производства. В рамках данной архитектуры была разработана система, которая предоставляет возможность достаточно простого подключения технологических подсистем к системе и их взаимодействия между собой. Предоставляется возможность производить конфигурирование автоматизированной системы технологической подготовки производства применительно к конкретному предприятию на множестве разработанных подсистем и баз данных с заданием соответствующих прав доступа для сотрудников этого предприятия. Предложенный подход упрощает сопровождение программного и информационного обеспечения подсистем автоматизированной системы технологической подготовки производства за счет их централизованного нахождения в дата-центре. Результаты работы могут быть применены как основа для построения и апробации автоматизированной системы технологической подготовки производства в рамках учебного процесса для отработки и модернизации алгоритмов работы системы, после чего возможна апробация в рамках расширенного предприятия. 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ПРОБОЯ В ГЕЛИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ Елисеев С. И., Демидов В. И., Чирцов А. С., Кудрявцев А. А., Колобов В. И., Богданов Е. А.
139
 Исследуется возможность использования адаптивных методов для моделирования процессов, происходящих при электрических пробоях в газах. Численное моделирование выполнялось для разряда в гелии при атмосферном давлении между игольчатыми электродами. Физическая модель сопровождающих пробой процессов строилась на базе самосогласованной системы уравнений непрерывности для потоков заряженных частиц (электронов и положительных ионов) и уравнения Пуассона для электрического потенциала. Резкая неоднородность плазмы в области стримеров потребовала использования при моделировании адаптивных алгоритмов построения вычислительных сеток. Дано описание метода адаптивного построения сетки и обоснование его эффективности для решения резко нестационарных задач пробоя газа при атмосферном давлении. Численное моделирование процессов осуществлялось в расширенном варианте свободно распространяемого пакета Gerris. Первоначально ориентированный на решение нелинейных задач динамики жидкостей пакет оказался пригодным для моделирования процессов в нестационарной плазме, описание которых строится на базе уравнений непрерывности. Использование адаптивных сеток позволило получить адекватную численную модель развития пробоя в системе игольчатых электродов. Динамика пробоя проиллюстрирована контурными графиками распределения концентраций электронов и напряженности электрического поля, полученными в ходе решения. Показан и проанализирован механизм пробоя с образованием положительного и анодонаправленного отрицательного стримеров. Показано соответствие между адаптивным построением вычислительной сетки и образующимися в ходе решения градиентами параметров плазмы. Результаты работы могут быть взяты за основу при проведении полномасштабных численных экспериментов по пробою газового промежутка.
147
 Разработаны алгоритмы работы возможной схемы построения бескарданного гирогоризонткомпаса на электростатическом гироскопе для подвижного объекта. Для реализации режима начальной выставки и калибровки коэффициентов модели дрейфа электростатического гироскопа в условиях подвижного объекта необходимо привлечение эталонных данных о параметрах ориентации (по курсу и углам качки) и координат места. Требуемые эталонные значения параметров ориентации могут вырабатываться при совместной обработке данных измерительного блока на микромеханических датчиках (гироскопах и акселерометрах) и GPS-компаса. В зависимости от уровня динамических условий на объекте и требуемой точности выработки курса для построения вертикали места в системе может использоваться вместо микромеханических датчиков измерительный блок на волоконно-оптических гироскопах и акселерометрах. Рассмотрены особенности алгоритмов выработки курса для бескарданного гирогоризонткомпаса. Описываются калибровочный и рабочий (корректируемый) режимы работы системы. Особенность алгоритма работы бескарданного гирогоризонткомпаса заключается в использовании двух электростатических гироскопов с ортогонально расположенными векторами кинетических моментов, при этом один гироскоп является опорным (орт его кинетического момента направляется по оси Мира), а второй является «виртуальным» – погрешности его положения относительно инерциальной системы координат и коэффициенты модели ухода являются нулевыми. Совместная обработка данных бескарданного гирогоризонткомпаса и внешней информации о координатах места осуществляется с использованием алгоритма обобщенного фильтра Калмана с обратной связью по всему вектору состояния системы. Приведены результаты имитационного моделирования алгоритмов работы системы, подтверждающие наличие компасного эффекта у системы и характеризующие необходимое время для калибровки электростатического гироскопа со сплошным ротором. Результаты внедрены в разработки ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».
158
 Предложена модель волоконно-оптического чувствительного элемента гидрофона. Конструкция гидрофона содержит податливый сердечник из полимерного материала с регламентированными упругими свойствами, на который намотано оптическое волокно. При моделировании использован встроенный модуль среды Comsol Multiphysics – Acoustic Solid Interaction, позволяющий оценить воздействие акустического поля различной частоты и амплитуды на величину деформации поверхности чувствительного элемента. Предложенная модель позволяет имитировать работу гидрофона в различных средах, материалы и размеры чувствительного элемента выбираются на этапе проектирования с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик – частотной характеристи- ки и чувствительности волоконно-оптического гидрофона. Правильность построения модели проверена сопоставлением результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования макета в акустическом бассейне. Макет представлял собой волоконный фазовый интерферометрический гидрофон на брэгговских решетках. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического сердечника, на который намотано оптическое волокно. Характеристики сердечника: показатель затухания материала (damping) – 0,1, модуль Юнга сердечника – 6 МПа, коэффициент Пуассона–0,49. Макет испытан в экспериментальном бассейне, конструкция которого позволяет проводить измерения на частотах выше 3000 Гц при отсутствии переотражений акустического сигнала. Оценка воздействия акустического поля проведена с помощью аттестованного пьезоэлектрического гидрофона: амплитуда акустического поля плоской волны 0,5 и 1 Па, частоты акустического воздействия  3000–8000 Гц. Согласно полученным результатам, чувствительность изготовленного макета составила 0,1 рад/Па на частоте 3000 Гц. Исследования  показали, что чувствительность моделируемого волоконно- оптического гидрофона будет уменьшаться с ростом частоты гидроакустического воздействия. На частоте 8000 Гц чувствительность снижается до 0,01 рад/Па. Результаты макетных испытаний подтвердили адекватность компьютерной модели, что дает возможность рекомендовать предложенную модель при разработке и исследовании волоконно-оптических гидрофонов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

164
 Поставлена проблема повышения результативности массового онлайн-курса для обучения в области программирования и IT-технологий, определены некоторые пути ее решения. Детально проанализирована проблема организации мгновенной обратной связи в онлайн-курсе. Предложено решение для разработки обучающих интерфейсов курса на основе механики «сделал – увидел результат – понял, что сделал правильно или неправильно», которое ускоряет не только визуализацию результата, но и проверку правильности кода. Рассмотрены и проанализированы три варианта сценариев запуска визуализации и проверки правильности кода. Сделан вывод о том, что для повышения интерактивности онлайн-курса необходимо реализовывать мгновенную обратную связь автоматически, без дополнительных действий со стороны обучаемого. При этом сценарий запуска визуализации и проверки кода может содержать этап анализа кода на корректность, позволяющий обучаемому понять правильность хода выполнения данного задания. Предложен подход для поэтапного решения больших по объему заданий, который в сочетании с автоматической мгновенной связью повышает наглядность и скорость обучения. Приведены результаты реализации игровой механики перфекционизма в массовом онлайн-курсе Университета ИТМО по подготовке (повышению квалификации) разработчиков веб-интерфейсов на основе технологий HTML5 и CSS3. Результаты экспериментального исследования на 5588 человек подтвердили, что использование игровой механики перфекционизма не только повышает уровень вовлечения в обучение, но и способствует более глубокому усвоению материала. Приведены результаты экспериментального исследования, которые свидетельствуют о существенном преимуществе синхронного обучения по сравнению с асинхронным: количество успешно завершивших онлайн-курс выросло до 27,9%. Материалы статьи, будут полезны исследователям, занимающимся разработкой проблем электронного обучения при разработке новых массовых онлайн-курсов.
172
Предмет исследования. Создана и исследована информационная инфраструктура среды обучения с применением технологии виртуальных машин для малых педагогических систем (отдельные классы, авторские курсы). Методика исследования. В методологии ARIS построена модель жизненного цикла информационной инфраструктуры для малых педагогических систем с использованием виртуальных машин. Предложена методика формирования информационной инфраструктуры с виртуальными машинами на базе процессного подхода. В качестве базовой модели использована модель событийной цепочки в сочетании с диаграммой окружения. Для каждой функции событийной цепочки определен необходимый набор средств информационной и программной поддержки. Применение методики проиллюстрировано на примере проектирования информационной инфраструктуры образовательной среды, учитывающей специфику малых педагогических систем. К преимуществам спроектированной информационной инфраструктуры относятся: максимальное использование открытых или бесплатных компонентов; использование стандартных протоколов (в основном HTTP и HTTPS); максимальная переносимость (серверы приложений могут быть развернуты на любой из распространенных операционных систем); единый интерфейс к управлению различными платформами виртуализации; возможность инвентаризации содержимого виртуальной машины без ее запуска; гибкое управление инвентаризацией виртуальной машины с помощью настраиваемых цепочек правил. Апробация. Апробация результатов работы проводилась на базе учебного центра «Институт информатики и вычислительной техники» (Таллин, Эстония). Применение методики в рамках курса «Пользование компьютером и программным обеспечением» позволило более чем в 2 раза сократить число отказов компонентов информационной инфраструктуры, требующих вмешательства технического специалиста, а также время на устранение такого рода неисправностей. Кроме того, учащиеся, получившие более широкий опыт работы с компьютером и программным обеспечением за счет применения информационной инфраструктуры с виртуальными машинами, показали более хорошие результаты в рамках зачетных испытаний. Практическое применение. Результаты работы могут быть рекомендованы для внедрения в практику работы образовательных учреждений среднего и высшего образования, а также при разработке авторских и специализированных курсов, ориентированных на коллективную работу учащихся. 

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

ДВУХСЛОЙНЫЕ ФАЗО-КОМПЕНСИРУЮЩИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Никандров Г. В., Путилин Э. С., Губанова Л. А., Стародубов Д. С.
183
 Разработаны оптические интерференционные покрытия, позволяющие формировать волновой фронт без изменения энергетических характеристик падающего и отраженного излучения. Корректировка достигается за счет того, что в состав покрытия вводится слой, толщина которого является функцией координаты поверхности оптического элемента. Для устранения изменения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента, возникающего из-за наличия в составе покрытия слоя непостоянной толщины, предложена методика выбора показателей преломления материалов, формирующих двухслойное интерференционное покрытие, позволяющая создавать покрытия с постоянным коэффициентом по поверхности оптического элемента. В качестве пленкообразующих материалов использованы оксид магния и диоксид циркония. В работе приводится экспериментально полученное распределение толщины слоя, входящего в состав фазо-компенсирующего покрытия. Предложенный в работе новый класс оптических покрытий может быть использован для корректировки формы волнового фронта.
186
Разработан прототип профессиональной социальной сети BarentsNet для информационной поддержки деятельности субъектов, участвующих в процессах управления развитием и освоением ресурсного потенциала Баренцева Евро-Арктического региона. Система BarentsNet реализована как мультипредметный веб-ресурс и обеспечивает интеграцию формализованных на базе онтологий экспертных знаний об особенностях развития арктических и субарктических территорий, а также автоматизацию установления профессиональных контактов для сотрудничества и реализации совместных проектов в этой сфере. Разработаны модель функциональной организации, исполнительное ядро и программные компоненты системы BarentsNet.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика