Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

551
Предмет исследования. В данной статье рассматриваются проблемы изучения пространства проектных решений для одного из классов сетевых встроенных систем, носящего название систем позиционирования объектов в  реальном времени. Методы. Статья содержит подробный план проводимых в настоящий момент исследований и может рассматриваться как обзорная и как постановочная. В работе будут задействованы аналитические и формальные методы, имитационное моделирование и автоматизированная верификация. Основные результаты. Анализ имеющихся процессов проектирования, существующих симуляторов и методов верификации выявил ряд ограничений на пути эффективного исследования проектных решений для систем позиционирования. Данные проблемы сформулированы в обзорной части статьи. Главным результатом работы следует считать предлагаемую новую методику, позволяющую выбрать наиболее подходящую аппаратуру и ее конфигурацию из набора потенциальных проектных решений. В частности, планируется расширить существующий инструментарий имитационного моделирования и внедрить методы автоматизированной верификации моделей. Данные методы будут использоваться для проверки результатов симуляций, а также для изучения различных альтернатив конфигурирования системы, т.е. для оптимизации проекта, что является одним из наиболее существенных критериев новизны. В работе также описан практический пример для проверки разрабатываемой методики. Практическая значимость. Предложенная методика значительно увеличит эффективность анализа проектных решений для систем позиционирования объектов в реальном времени и уверенность в их принятии. Также будет внесен существенный вклад в оптимизацию проектируемых систем.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

568
Предмет исследования. Предложены новые химические сенсоры на основе оптических волокон, модифицированных графтингом молекулярно-импринтированного полимера, для детектирования аммония в водных растворах. Повышенные концентрации аммония в природных водах способствуют эвтрофикации, поэтому контроль его содержа- ния в природных водоемах имеет большое значение для экологического мониторинга. В настоящее время такой мониторинг практически не проводится в связи с отсутствием соответствующих сенсоров. Привлекательным подходом к разработке химических сенсоров для удаленного контроля является использование полимерных оптических волокон. К преимуществам полимерных оптоволокон относятся высокая механическая устойчивость к ударам и вибрации, возможность реализации мультиплексирования и дистанционных измерений, низкая стоимость. Метод. Полимерный слой импринтированный ионами аммония наносился методом графтинга на поверность метилметакрилатного оптоволокна. Метакриловая кислота использовалась в качестве мономера, диметакрилат этиленгликоля в качестве кросслинкера, 2,2′-азобис(2-метилпропионамидин) дигидрохлорид в качестве радикального инициатора, аммоний в качестве импринтируемой молекулы и смесь воды с этанолом 4:1 в качестве растворителя. Были оптимизированы условия синтеза полимера с использованием интенсивности прошедшего через оптоволокно света, равномерности полимерного слоя и отклика в растворах аммония в качестве критериев оптимизации. Основные результаты. Разработаны химические сенсоры на основе полимерных оптических волокон, модифицированных графтингом молекулярно-импринтированного полимера, для детектирования ионов аммония в воде. Разработана методика графтинга молекулярно-импринтированного полимера на поверхность оптических волокон. Установлено, что высокие концентрации мономера и кросслинкера приводят к повреждению оптоволокна, а продолжительное время полимеризации к уменьшению его светопропускающей способности. Использование полимеризационной смеси следующего состава: метакриловая кислота – 2,1 ммоль/л, диметакрилат этиленгликоля – 7,7 ммоль/л и NH4Cl – 0,3 ммоль/л – и времени полимеризации 15 мин позволяет получить оптический сенсор, обладающий откликом к ионам аммония в водных растворах. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение в экологическом мониторинге аммония в природных водах, в частности, в дистанционных in situ системах измерения. Кроме того, разработанная и оптимизированная схема графтинга молекулярно-импринтированного полимера может быть использована для разработки оптоволоконных сенсоров для определения других веществ.
ПОЛУЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПОРОШКОВ ФТОРИДА СТРОНЦИЯ, АКТИВИРОВАННОГО ФТОРИДОМ НЕОДИМА Рожнова Ю. А., Кузнецов С. В., Федоров П. П., Воронов В. В., Усачев В. А., Кононенко Н. Э., Хегай Д. К., Дукельский К. В.
578
Предмет исследования. Исследованы процессы получения ультрадисперсного, гомогенного порошка Sr1–х NdxF2+х (х = 0,003–0,2) с использованием в качестве фторирующего агента фторида аммония, взятого с избытком 114–120% от стехиометрии. Метод. В качестве исходных веществ использовали нитрат стронция, шестиводный нитрат неодима с содержанием основного вещества 99,99%, а также фторид аммония. Активированные порошки фторида стронция получали методом осаждением из водных растворов с промыванием осадка раствором фторида аммония, взятого с избытком 114–120% от стехиометрии. Отмытый осадок центрифугировали в течение 5–7 мин, высушивали на воздухе при 30–35 °C. Термическую обработку высушенного осадка проводили в две стадии: первую – при температуре 200–250 °C в течение 0,5–1 ч, вторую – при 550–600 °C в течение 2–3 ч. Рентгенофазовый анализ синтезированных образцов осуществлялся на дифрактометре Bruker D8 Advance, излучение λCu Kα. Оценка размеров и формы частиц активированного фторида стронция осуществлялась с использованием электронного микроскопа Carl Zeiss NVision 40. Содержание неодима в активированных порошках фторида стронция определялось методом спектрально-эмиссионного анализа на приборе LEA-S500. Химический анализ на определение содержания иона аммония (NH4+) в полученных образцах проводили методом Кьельдаля. Расчеты параметров решетки, размеров областей когерентного рассеяния и величины микродеформаций проводились с использованием программы TOPAS. Основные результаты. Процесс получения ультрадисперсного, гомогенного порошка Sr1–хNdxF2+х (х = 0,003–0,2) с использованием в качестве фторирующего агента фторида аммония, взятого с избытком 114–120% от стехиометрии, обеспечивает получение твердого раствора Sr1–x–yNdx(NH4)yF2+x-y кубической флюоритовой структуры. Установлено, что морфология и размер образующегося продукта зависят от величины избытка фторида аммония. При варьировании величины избытка фторида аммония от 114 до 120% выявлено изменение морфологии частиц – от нано- и микрокубов до пластинчатой формы. Размер частиц значительно уменьшался с увеличением избытка фторида аммония от 114 до 120%. После термообработки полученных порошков происходило укрупнение частиц кубической морфологии до размера 50–350 нм без изменения их формы. Частицы пластинчатой формы после термообработки приобретали округлую форму размером 50–200 нм. Практическая значимость. Полученные шихты при избытке фторида аммония 114% и 120% перспективны для использования в технологии получения керамики методом горячего прессования.
587
Предмет исследования. Рассматриваются результаты исследования особенностей применения космических оптико-электронных и радиолокационных средств при дистанционном зондировании Земли. Предметом исследования является текущее планирование съемки объектов на подстилающей поверхности с целью повышения эффективности системы зондирования за счет рационального использования ее ресурсов. Метод. Введены новые понятия группового объекта, стохастической полосы захвата и стохастической протяженности маршрута. Приведено общее описание моделей одиночного, группового объектов и их параметров, сформулирован критерий существования группового объекта на основе двух одиночных объектов. Разработан метод формирования групповых объектов при текущем планировании съемки, представлено его описание. Метод содержит ряд этапов обработки данных об объектах с вычислением их новых параметров, стохастических характеристик космического средства и проверки пространственных размеров объектов по значениям стохастической полосы захвата и стохастической протяженности маршрута. Приведено строгое математическое описание методического аппарата формирования модели группового объекта на основе данных об одиночных объектах и возможностях бортового специального комплекса в сложных условиях регистрации пространственных данных. Основные результаты. Разработанный метод в виде макета программного средства реализован на основе современной геоинформационной системы с развитым инструментарием обработки и анализа пространственных данных в векторном формате. Проведены экспериментальные исследования метода формирования групповых объектов на различной реальной объектовой обстановке с использованием параметров современных отечественных систем дистанционного зондирования Земли детального наблюдения Канопус-В и Ресурс-П. Практическая значимость. Предложенные модели и метод ориентированы на практическую реализацию с использованием векторных моделей пространственных данных и современных геоинформационных технологий. Практическая ценность состоит в сокращении количества расходуемых ресурсов космического средства и наземного комплекса системы при ведении наблюдения малоразмерных и точечных объектов.
595
Исследуются технологии наземной вторичной обработки разнородных многозональных данных. К факторам разнородности данных отнесена неравномерная освещенность объектов на поверхности Земли, вызванная различными свойствами рельефа. Автором разрабатывается процедура восстановления изображений спектральных каналов за счет компенсации искажений от рельефа местности. Цель работы состоит в повышении качества результатов при восстановлении изображений местности с крупными и средними формами рельефа. Методы. Исследования основываются на элементах теории цифровой обработки изображений, статистической обработки результатов наблюдений и теории многомерных матриц. Основные результаты. Автором введены операции над многомерными матрицами –конкатенация и поэлементное деление. Приведено описание расширенной модели исходных данных оместности. Модель содержит все необходимые данные для восстановления изображений. Автором разработан метод коррекции радиометрических искажений многозональных данных дистанционного зондирования Земли. Метод содержит два этапа: построение эмпирических зависимостей спектрального коэффициента отражения от свойств рельефа и восстановление изображений спектральных каналов по полуэмпирическим данным. Практическая значимость. Новизна исследования состоит в развитии прикладной теории многомерных матриц применительно к обработке многозональных данных совместно с данными о рельефе и объектах местности. Результаты работы могут быть использованы при разработке средств радиометрической коррекции данных. Обработка выполняется на основе цифровой модели рельефа без проведения наземных работ по исследованию отражательных свойств объектов.
АППРОКСИМАЦИЯ НЕСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Иванова Т. В., Романова Г. Э., Жукова Т. И., Степанов Я. Е., Бондарь И. И., Данцаранов Р. О.
603
Предмет исследования. Рассмотрены проблемы аппроксимации асферических поверхностей высшего порядка при описании их с помощью уравнений различного вида. Предметом исследований являются два типа уравнений для описания асферических поверхностей высшего порядка, используемые в различных программах для автоматизированного расчета оптических систем (САРО, OPAL, ZEMAX, CODE-V, и т.д.) и зависящие от стрелки прогиба или от радиальной координаты на поверхности. Рассмотрен переход от одного типа уравнения к другому с целью использования в различных программах для автоматизированного расчета оптических систем. Методы. Сущность метода заключается в использовании аппроксимации коэффициентов уравнения при помощи метода наименьших квадратов. Представлен итерационный алгоритм для пересчета, позволяющий с необходимой точностью пересчитать коэффициенты для уравнений разных типов. Даны рекомендации по выбору параметров пересчета, таких как количество коэффициентов в итоговом уравнении, количество точек, используемых для пересчета, и расположение этих точек на поверхности. Основные результаты. Работоспособность предложенного метода продемонстрирована на примере пересчета, иллюстрирующего его работу на конкретной оптической системе. Дана оценка точности пересчета, включая сравнение аберраций исходной и полученной после пересчета поверхности, которая показывает, что поверхность восстановлена с требуемой точностью. Практическая значимость. Представленная методика может быть использована для перехода от одного типа описания асферических поверхностей высшего порядка к другому в различных программах для автоматизированного расчета оптических систем, а также для исследования и анализа формы асферических поверхностей, обеспечивающих оптимальный баланс аберраций, в том числе при автоматизированной коррекции.
608
Предмет исследования. Важной особенностью схемы гомодинной демодуляции сигналов на основе вычисления значений функции арктангенса является фазовый сдвиг сигнала опорного генератора относительно интерференционного сигнала. Это явление обусловлено наличием задержек распространения импульсов в оптической схеме интерферометрического датчика и аналогового фильтра низких частот перед фазовым модулятором, что вносит фазовую задержку в сигнал опорного генератора. В рассматриваемой схеме гомодинной демодуляции происходит перемножение сигналов опорного генератора и интерференционного сигнала в процессе его обработки, а фазовый сдвиг между этими сигналами приводит к искажению выходного сигнала. В предлагаемой работе представлены результаты исследования влияния фазового сдвига сигнала опорного генератора на выходной сигнал рассматриваемой схемы демодуляции при различных параметрах интерференционного сигнала. Дается оценка требуемой точности компенсации фазового сдвига для обеспечения заданного уровня искажений выходного сигнала. Метод. Предложена математическая модель в среде MATLAB. В этой модели интерференционный сигнал с изменяющимися по заданным правилам параметрами пропускается через рассматриваемую схему демодуляции. Это позволяет получить зависимости амплитуды выходного сигнала от фазового сдвига сигнала опорного генератора, положения рабочей точки интерферометра, глубины фазовой модуляции и амплитуды измеряемого фазового сигнала. Полученные в ходе моделирования результаты показали необходимость компенсации фазового сдвига сигнала опорного генератора. Для оценки этого сдвига в действующей схеме гомодинной демодуляции предложена оригинальная методика его определения. Методика основана на пропускании интерференционного сигнала и сигнала опорного генератора через один и тот же полосовой фильтр, выделяющий несущую частоту фазовой модуляции. По фазовой задержке между получившимися сигналами можно судить о значении фазового сдвига сигнала опорного генератора. Зная значение фазового сдвига сигнала опорного генератора, можно этот сдвиг скорректировать. Коррекция достигается внесением в сигнал опорного генератора требуемой задержки. Основные результаты. Результаты математического моделирования показали существенную нелинейную зависимость выходного сигнала от фазового сдвига сигнала опорного генератора при различных значениях глубины фазовой модуляции, положениях рабочей точки интерферометра и амплитудах измеряемого фазового сигнала. Обнаружено, что оптимальные значения фазового сдвига сигнала опорного генератора 0, 180 и 360, обеспечивают отсутствие искажений в выходном сигнале. Показано, что для обеспечения уровня искажений в выходном сигнале рассматриваемой схемы демодуляции около 4% требуется компенсация фазового сдвига с точностью до 3% относительно периода сигнала опорного генератора. Практическая значимость. Предложена оригинальная методика, позволяющая оценивать значение фазового сдвига сигнала опорного генератора. Компенсация найденного фазового сдвига в ходе практической реализации рассматриваемой схемы гомодинной демодуляции обеспечивает корректность работы схемы и увеличивает соотношение сигнал шум выходного сигнала.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

615
Предмет статьи. Рассмотрена задача управления в режиме слежения за заданной траекторией для широко распространенного в тяжелых гидрофицированных машинах мобильного гидропривода с компенсатором давления. Метод. Задача управления решена методами релейного (скользящего) управления с компенсацией статической нелинейности и введением прямой связи по скорости задающего воздействия. Основные результаты. Предложена математическая модель гидропривода с учетом наличия компенсатора давления. Сформулирована классическая модель гидропривода с золотниковым гидрораспределителем, затем описаны назначение и принципы функционирования компенсатора давления в системах гидропривода, сформулирована расширенная математическая модель, отражающая влияние компенсатора давления на динамику системы. Показано, что предложенная модель имеет статическую входную нелинейность, и предложен метод ее компенсации, позволяющий ввести прямую связь по скорости задающего воздействия. Закон управления выбран в классе релейных (скользящих), для снижения возможных высокочастотных осцилляций (чаттеринга) использованы два подхода: оценка эквивалентного управления через фильтрацию релейного сигнала и интегрирование релейного сигнала. Экспериментальные исследования выполнены на макете крана-манипулятора, применяющегося в лесозаготовительной промышленности. Результаты экспериментов показывают применимость предложенного закона управления и высокую точность слежения на типовых траекториях. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение в задачах автоматизации тяжелых гидрофицированных машин в таких областях, как строительство, дорожное хозяйство, лесозаготовки.
623
 Предмет исследования. Двигатель внутреннего сгорания как объект управления является сложной существенно нелинейной системой, работающей, как правило, в динамических режимах в условиях действия возмущений. В силу сложности конструкции и многорежимности работы двигателя ряд его характеристик и параметров неизвестны или неточно известны. В этих условиях задача управления моментом представляется нетривиальной и требует применения современных методов управления, позволяющих парировать указанные особенности. В работе предлагается сравнительно простой алгоритм адаптивного управления крутящим моментом инжекторного двигателя. Метод. Отличие предлагаемого метода управления моментом заключается в том, что в его основе лежит нелинейная динамическая модель, содержащая параметрические и функциональные неопределенности (статические характеристики), которые подавляются при помощи алгоритма адаптивного управления с единственным настраиваемым параметром. Алгоритм представляет собой пропорциональный закон управления с настраиваемым коэффициентом обратной связи и обеспечивает экспоненциальное стремление ошибки управления к окрестности нулевого положения равновесия. Показано, что радиус окрестности может быть уменьшен произвольным образом за счет изменения параметров регулятора. Основные результаты. В целях синтеза закона управления и моделирования замкнутой системы синтезирована динамическая нелинейная модель крутящего момента. Параметры и статические функции модели проидентифицированы с помощью данных, полученных в ходе FTP-теста (Federal Test Procedure, USA) автомобиля Chevrolet Tahoe с восьмицилиндровым двигателем объемом 5,7 л. Построен алгоритм адаптивного управления моментом, с помощью метода функций Ляпунова проанализированы свойства замкнутой системы. Для проверки работоспособности системы управления проведено моделирование в среде MATLAB/Simulink. Из результатов моделирования видно, что при существенном изменении скорости вращения двигателя регулятор обеспечивает ограниченность всех сигналов и стремление ошибки к ограниченной окрестности нулевого положения равновесия. Радиус окрестности существенно ниже допустимой ошибки управления 20 Н·м, что дает основания для дальнейшей практической реализации полученного алгоритма. Практическая значимость. Предложенный алгоритм управления рекомендуется к использованию в практической задаче управления моментом инжекторных и других видов двигателей внутреннего сгорания.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

632
Рассмотрены характерные особенности формирования пленки карбида кремния со структурой (политипом), отличной от структуры (политипа) карбид-кремниевой подложки. Представлены простые теоретические обоснования имеющихся экспериментальных данных о роли нестехиометрии, примесей, С- и Si-граней на процесс гетерополитипной эпитаксии карбида кремния. С использованием метода связывающих орбиталей Харрисона показано, что С-грань карбида кремния обладает более высокой адсорбционной способностью, чем Si-грань. В рамках ранее предложенных авторами моделей (D-модель и вакансионная модель) продемонстрировано, что наличие примесей ведет к изменению характерных времен процесса гетерополитипной эпитаксии и ширины переходного слоев, а именно: примеси, способствующие переходу между политипами, уменьшают значения временных констант и сужают переходный слой. Для объяснения присутствия полос различных политипов в переходном слое привлекается модель специфического спинодального распада, где рассматриваются изменения концентраций вакансий в обеих подрешетках карбида кремния. Полученные результаты позволяют в перспективе оптимизировать процесс гетероэпитаксии политипов карбида кремния.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

640
Обсуждается проблема поиска людей по скетчам и способы ее практической реализации. Эта проблема была поставлена в предыдущей статье авторов. В настоящей статье проблема развивается далее. Исходной при этом является предпосылка о том, что для успешного поиска людей по скетчам необходима их трансформация в наборы популяций скетчей, имитирующих показания «группы свидетелей» и показания при неполной информации в словесных портретах. Представлены варианты структур бенчмарковских баз «фото-скетч», предназначенных для моделирования и практического решения задач поиска оригинальных фото по скетчам, новым компонентом которых являются популяции скетчей. Обсуждаются задачи предобработки исходных скетчей и фото-оригиналов, а также влияние этой предобработки на результат их сравнения между собой. Рассмотрены простые системы распознавания скетчей (Simple FaRetSys) и решение задачи поиска по ним оригинальных фото. Показаны недостатки таких систем, представлены новые решения по расширению и развитию (Extended FaRetSys) простых систем. Представлены эксперименты поиска фото-оригиналов по скетчам на базе скетчей CUFS и аналогичные эксперименты на широко известных лицевых базах данных FERET и CUFSF. Для повышения результативности поиска предлагается три варианта решений. В первом оригинальные скетчи преобразуются в популяции, а потом уже в этих популяциях определяется скетч, подобный заданному скетчу (Forensic Sketch). Класс найденного в популяции скетча «по определению» однозначно соответствует классу фото-оригинала. Во втором в популяцию скетчей преобразуется Forensic Sketch, а все оригинальные скетчи исходной оценочной базы сравниваются со скетчами популяций Forensic Sketch. Класс соответствий определяется так же, как в первом варианте. Третий вариант включает генерацию популяции скетчей как из всех оригинальных скетчей, так и из всех Forensic Sketch. Дальнейшее направление исследований очевидно: поиск соответствий реализуется между скетчами этих двух популяций.
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МУЗЫКИ В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ Рогозинский Г. Г., Черный Е. В., Уолш Р. ., Щекочихин А. В.
654
Постановка проблемы. Рассмотрена распределенная интеллектуальная система для генерации компьютерной музыки в сети автономных вычислительных агентов. В качестве решения одной из задач, связанных с реализацией такой системы, предложена математическая модель извлечения данных из окружающей среды для использования их в процессе генерации музыки. Методы. Для представления данных о тембральных характеристиках в описываемой системе используется Resource Description Framework. В качестве подсистемы синтеза и обработки звука используется специальный язык музыкального программирования Csound. Генерация звука происходит в соответствии с параметрами композиционной модели, извлекающей данные из окружающего мира. Результаты. Предложена архитектура распределенной системы генерации компьютерной музыки. Представлен пример ядра синтеза звука. Предложен метод отображения характеристик окружающего мира в пространство сигналов композиционной модели, имитирующей вдохновение у творческого индивидуума. Система генерации музыки была представлена в качестве экспоната в Центральном музее связи им. А.С. Попова в рамках акции «Ночь музеев». В ходе публичного эксперимента установлено, что система в целом проявляет тенденцию к быстрому установлению нейтрального состояния, при котором не генерируются музыкальные события, что говорит о необходимости разработки алгоритмов поддержания активного состояния сети агентов в целом. Практическая значимость. Реализация описываемой системы позволит создать технологическую платформу для целого класса новых приложений, связанных с дополненной акустической реальностью и алгоритмической композицией.
661
Применение микрофонных решеток для сбора речевой информации имеет значительные преимущества по сравнению с системами, использующими один микрофон. Обзор посвящен системам, использующим микрофонные решетки для дистанционного сбора речевой информации. Материал статьи основан на анализе публикаций по применению микрофонных решеток для задач сбора речевой информации, а также опыте разработки и практического применения планарных микрофонных решеток. Рассмотрены основные этапы развития систем дистанционного сбора аудиоинформации. Перечислены основные области применения микрофонных решеток. Рассмотрены базовые типы микрофонных решеток и их особенности. Основной материал обзора посвящен работе с планарными микрофонными решетками. Проанализированы особенности работы микрофонных решеток в различной акустической обстановке. Рассмотрены основные соотношения для расчета базовых параметров эквидистантных планарных решеток. Перечислены некоторые методы (приведен список литературы) проектирования неэквидистанных решеток. Дан перечень основных алгоритмов цифровой обработки сигналов планарных микрофонных решеток. Приведен список литературы по алгоритмам обработки в частотной области. Приведен перечень зарубежных компаний, предлагающих системы на основе микрофонных решеток для решения широкого круга задач, связанных с обработкой речевых и аудиосигналов. Описаны некоторые современные системы сбора речевой информации на основе микрофонных решеток. В заключении перечислены перспективные направления развития систем сбора речевой информации с использованием микрофонных решеток. Материалы обзора могут быть использованы при проектировании микрофонных решеток для конкретных практических применений.
676
В теории вероятностных графических моделей апостериорный вывод является одним из видов вывода, на котором базируется обработка фрагментов знаний с неопределенностью. В работе рассматривается задача описания локального апостериорного вывода в алгебраических байесовских сетях над фрагментами знаний с пропозициями-квантами с помощью матрично-векторных уравнений, которые существенно опираются на использование тензорного произведения матриц, степени Кронекера, а также произведения Адамара. Получены матричные уравнения для вычисления векторов апостериорных вероятностей в задаче апостериорного вывода над фрагментами знаний с пропозициямиквантами. Аналогичные уравнения того же типа уже рассматривались в рамках теории алгебраических байесовских сетей, однако они были построены только для случая апостериорного вывода во фрагментах знаний над идеалами конъюнктов. При обобщении и развитии матрично-векторного аппарата в части операций с векторами вероятностей пропозиций-квантов был, в частности, адаптирован ряд ранее полученных результатов, касающихся нормирующих множителей в апостериорном выводе и задания линейного проективного оператора с помощью вектора-селектора. Рассмотрены все три вида поступающих свидетельств – детерминированные, стохастические и неточные свидетельства – в сочетании со скалярными и интервальными оценками вероятности истинности пропозициональных формул во фрагментах знаний. Сформированы задачи линейного программирования, решение которых дает интервальные оценки искомых апостериорных вероятностей в случае неточного свидетельства или интервальных оценок во фрагменте знаний. Существование такого описания задачи апостериорного вывода позволяет пополнить набор типов фрагментов знаний, которыми мы можем оперировать в локальном и глобальном апостериорном выводе, а также упростить реализацию комплекса программ за счет возможности использования при программировании на Java, C++ или С# уже существующих сторонних библиотек, эффективно поддерживающих представление и обработку матриц и векторов.
685
Предпринята попытка пересмотреть некоторые положения сложившейся теории дискретных систем в части организации аппаратной среды передачи сигнала управления техническому объекту. Известно, что формирование цифрового сигнала в задаче дискретного управления непрерывным объектом осуществляется или микроконтроллером, или микро-ЭВМ и представляется параллельным кодом, размерность которого определяется используемыми аппаратными средствами. Параллельный код за такт работы цифровой части проектируемой системы передается в терминальное устройство технического непрерывного объекта, в котором происходит цифро-аналоговое преобразование. Такого рода передача сигнала управления в технический объект предполагает ее реализацию средствами параллельных шин. Известно, что в силу имеющейся помеховой среды современными стандартами длина параллельных шин ограничена размером, не превышающим полуметра. Таким образом, в случае, если размещение устройства формирования сигнала управления и объекта управления таково, что связывающая их шина превышает 0,5 м, возникает неизбежность перехода от параллельной передачи сигнала управления объекту к выделенной последовательной. Рассмотрены системные факторы, возникающие при переходе от параллельной передачи сигнала управления к последовательной средствами современных интерфейсов. Теоретические положения проиллюстрированы примером. Статья предназначена для специалистов-системщиков и специалистов-канальщиков. Полученный алгоритм применим для управления объектами (в частности – электроприводом) на крупных промышленных предприятиях.
695
Рассмотрена задача формирования управляющих сигналов для интеллектуального тренажера по восстановлению опорно-двигательной системы человека. Разработан метод обработки низкочастотного сигнала (до 50 Гц), снятого с поверхности коры головного мозга человека. Эти сигналы связаны с активностью головного мозга человека и непосредственно с α- и β-ритмами, отвечающими за движение конечностей. Предложенный метод основан на применении дифференциальных функций и вейвлетов Добеши и Морле. Для устранения ошибок, возникающих в процессе снятия низкочастотного сигнала с поверхности коры головного мозга, предложена модульная обработка сигнала. Исследование проведено на 10 добровольцах мужского пола, которые в ходе эксперимента выполняли движение руки, находясь в расслабленном бодрствовании. Результаты исследования показали, что предложенный метод позволяет выявить управляющие сигналы амплитудой от 5 до 15 мкВ в диапазоне частот от 10 до 50 Гц. Такой уровень сигналов позволяет адаптировать их для управления интеллектуальным тренажером. Результаты работы могут быть применены в медицинских реабилитационных учреждениях, а также при подготовке спортсменов к соревновательным мероприятиям.
ТРАНСЛЯЦИЯ ДАННЫХ МЕЖДУ PADS И CAM350 Романова Е. Б., Трифонова Т. А.
701
Объектом исследования данной статьи является процесс трансляции данных между системой автоматизированного проектирования электронных устройств PADS VX и системой технологической подготовки производства печатных плат CAM350 10. Предметом исследования является двухсторонняя трансляция данных в указанных системах. В качестве методов исследования выступают эксперименты по многократному воспроизведению прямого и обратного процесса трансляции данных между системами PADS и CAM350. Целью работы является рассмотрение проблем обмена данными между системами и нахождение способов их решения. Основой работы является анализ функциональных возможностей систем PADS и CAM350 при трансляции данных, который был выполнен в ходе эксплуатации этих систем. В работе приводятся достоинства и недостатки методов трансляции, их сравнение. Проанализированы ошибки, возникающие в процессе. Описываются возможные причины возникновения ошибок. Основными результатами работы являются рекомендации по обмену данными между системами PADS и CAM350. Предложенные рекомендации позволяют оптимизировать обмен данными между рассматриваемыми системами. Практическая значимость работы заключается во внедрении результатов работы в ООО «Абео». Рекомендации были использованы при разработке нескольких десятков различных электронных устройств. Использование указанных результатов позволило уменьшить время подготовки к производству, увеличить корректность передачи данных, тем самым улучшить качество производимой продукции и уменьшить ее стоимость.
708
Предмет исследования. Разработка и исследование способа повышения устойчивости при JPEG-сжатии цифровых водяных знаков, встраиваемых в неподвижные изображения. Метод. Представлен новый алгоритм цифрового маркирования неподвижных изображений, встраивающий цифровой водяной знак в неподвижное изображение при помощи модификации частотных коэффициентов дискретного преобразования Адамара. Выбор частотных коэффициентов для встраивания цифрового водяного знака основан на наличии резкого изменения их значений после модификации при максимальном сжатии JPEG. Выбор блоков пикселов для встраивания основан на показателе их энтропии. Новый алгоритм был подвергнут анализу устойчивости к компрессии изображения, зашумлению, фильтрации, изменению размера, цвета и эквализации гистограммы. Для сравнительного анализа был выбран алгоритм Elham, обладающий хорошей устойчивостью к JPEG-компрессии. В качестве объектов защиты было выбрано 9 полутоновых изображений. Незаметность вносимых в них искажений определялась на основе величины пикового отношения сигнала к шуму, величина которой должна быть не ниже 43 дБ для незаметности вносимых искажений. Стойкость встроенного водяного знака определялась коэффициентом корреляции Пирсона, величина которого для минимально допустимой устойчивости должно быть не ниже 0,5. Алгоритм вычислительного эксперимента: внедрение при помощи нового алгоритма и алгоритма Elham в каждое тестовое изображение водяного знака; внесение искажений в объект защиты; извлечение встроенной информации с ее последующим сравнением с оригиналом. Параметры алгоритмов были выбраны таким образом, чтобы обеспечить приблизительно одинаковый уровень вносимых в изображение искажений. Основные результаты. Представленный в статье метод предварительной обработки водяного знака способен существенно сократить объем информации, внедряемой в неподвижное изображение. В результате вычислительного эксперимента было установлено, что представленный алгоритм обладает повышенной устойчивостью к JPEG-сжатию, зашумлению, фильтрации Винера и изменению яркости. Практическая значимость. Представленный алгоритм может быть использован для защиты авторских прав на неподвижные изображения.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

716
Предмет исследования. Оценка вероятности обнаружения нарушителя извещателями охранной сигнализации при различных скоростях и направлениях движения для использования в задачах автоматизированного анализа эффективности систем физической защиты. Метод. Используются аналитические выражения законов распределения расстояния обнаружения, полученных путем аппроксимации экспериментальных гистограмм. Основные результаты. Исследована применимость различных законов распределения, таких как распределения Рэлея, Гаусса, Максвелла, Вейбулла, а также логнормальное и гамма-распределения, для оценки расстояния обнаружения нарушителя пассивными инфракрасными извещателями. Для этого проведена проверка гипотез о соответствии экспериментальных гистограмм указанным аналитическим законам по критерию согласия 2 для различных скоростей и направлений движения нарушителя. Первые моменты аппроксимирующих законов распределения выбирались равными экспериментально полученным значениям соответствующих параметров движения. Оценки точности аппроксимации выполнены с уровнем значимости 0,05. Показано, что наиболее полно критерию согласия 2 для разных скоростей и направлений движения нарушителя соответствует аппроксимация гистограмм распределением Рэлея и гаммараспределением. Получены зависимости точности аппроксимации от условий проникновения, позволяющие выбрать аппроксимирующую функцию для конкретной практической задачи. Практическая значимость. Аналитические выражения для вероятности обнаружения могут использоваться в задачах моделирования процесса проникновения нарушителя на защищаемый объект, в том числе для оценки эффективности систем физической защиты.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

722
Предмет исследования. Проведение расчетов конструкций из композитных материалов требует использования численных методов. Применение метода конечных элементов связано с проблемами аппроксимации поверхности. Использование объемных и пластинчатых элементов приводит к системам значительных размерностей, что требует большого объема вычислений и машинных ресурсов. В этой связи авторами рассматривается и предлагается методика построения математической модели для осесимметричного конечного элемента многослойных элементов конструкций. Метод. Для проведения расчетов предлагается осесимметричный конечный элемент, использующий соот- ношения для внутренней работы каждого слоя в отдельности, что позволяет учитывать геометрическую и физическую нелинейности, а также неоднородность по слоям оболочки. На основе метода конечных элементов с использованием принципа возможных перемещений и гипотез Кирхгофа–Лява построена дискретная математическая модель. В качестве конечного элемента выбран эрмитов элемент. В качестве искомой величины рассматривается прогиб конической оболочки. Основные результаты. Для верификации предложенной математической модели рассмотрены однослойная и двухслойная коническая оболочки, для которых известны аналитическое и численно-аналитическое решения соответственно. Максимальная погрешность решений не превышает 5,4% при количестве конечных элементов, равном 30. По сравнению с существующими типами элементов предлагаемый элемент позволяет уменьшить размерность матрицы жесткости, что приводит к экономии машинных ресурсов и позволяет достичь заданной точности расчетов при меньшем числе узлов. Вследствие этого значительно уменьшается время нахождения решения. Практическая значимость. Предлагаемую модель можно использовать при расчете многослойных конструкций под действием осесимметричных нагрузок – композитных баллонов высокого давления, цилиндрических стеклопластиковых труб, резервуаров для хранения взрывчатых и огнеопасных веществ, нефте- и газохранилищ.
731
Одномерные задачи нестационарной газовой динамики являются показательными тестами для оценки точности численного решения при моделировании сверхзвуковых течений идеального сжимаемого газа. Рассматривается численное решение уравнений Эйлера, описывающих течения невязкого сжимаемого газа и допускающих гладкие и разрывные решения. Дискретизация уравнений Эйлера проводится при помощи метода конечных объемов и разностных схем WENO-типа. Полученные численные решения сравниваются с точными решениями задачи о распаде разрыва. Монотонизирующая коррекция производных предотвращает образование новых экстремумов и обеспечивает монотонность численного решения в окрестности разрыва, но приводит к сглаживанию существующих минимумов и максимумов и к потере точности. Расчеты с  использованием схем WENO позволяют получить точное и монотонное решение задачи как при наличии слабых, так и сильных газодинамических разрывов.
741
Предмет исследования. Рассматриваются численные методы решения задач газовой динамики, основанные на точном и приближенном решении задачи о распаде произвольного разрыва (задача Римана). Разработан подход к численному решению уравнений Эйлера, описывающих течения невязкого сжимаемого газа, на основе метода конечных объемов и разностных схем расчета потоков различного порядка точности. В расчетах используются схема Годунова, схема Колгана, схема Рое, схема Хартена и схема Чакраварти–Ошера (порядок разностных схем изменяется от 1-го до 3-го). Сравнение точности и эффективности различных разностных схем демонстрируется на примере расчета течения невязкого сжимаемого газа в сопле Лаваля в случае непрерывного ускорения газа в сопле и в случае наличия соплового скачка уплотнения. Делаются выводы о точности различных разностных схем и затратах времени, необходимых на их реализацию. Основные результаты. Проведен сравнительный анализ разностных схем, предназначенных для интегрирования уравнений Эйлера и основанных на точном и приближенном решении задачи о распаде произвольного разрыва. Результаты расчетов показывают, что монотонизирующая коррекция производных обеспечивает монотонность численного решения в окрестности разрыва. С одной стороны, она предотвращает образование новых экстремумов, обеспечивая свойство монотонности, а с другой, приводит к сглаживанию существующих минимумов и максимумов и к потере точности. Практическая значимость. Разработанный метод численного расчета позволяет выполнять с высокой точностью расчеты течений с сильными нестационарными ударными и детонационными волнами. При этом не возникают нефизические осцилляции решения на фронте ударной волны.
748
Основное направление исследований связано с разработкой информационных технологий и средств компьютерного моделирования для информационно-аналитической поддержки управления сложными слабоструктурированными системами. Среди множества представителей данного класса систем в работе рассматриваются региональные социально-экономические системы. Исследования проводятся в рамках реализации стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года на территории Мурманской области в части создания современной информационной инфраструктуры для задач управления инновационным и безопасным развитием региона. Методы исследования включают метод системно-динамического моделирования, методы проектирования распределенных информационных систем, методы шаблонного проектирования на основе паттернов. Работа посвящена созданию инструментария для решения задач информационной поддержки принятия решений в сфере управления инновационной безопасностью региональной экономики. Для этого в ходе исследований разработаны комплекс системно-динамических моделей типовых составляющих инновационных процессов и информационная технология дистанционного формирования и управления имитационными моделями инновационной деятельности. Разработки обеспечивают прогнозирование динамики показателей инновационной безопасности региона и результативности инновационной деятельности. Информационная технология реализована в рамках архи- тектуры «тонкий клиент» и предназначена для автоматизации процесса создания имитационных моделей сложных систем. Средства реализации технологии обеспечивают распределенное формирование системно-динамических мо- делей и управление процессом имитационного моделирования инновационной деятельности на базе модельных шаблонов типовых инновационных процессов. Технология обеспечивает повышение показателей доступности и повторного использования средств информационной поддержки инновационных процессов за счет распределенного доступа к средствам имитационного моделирования инновационной деятельности и формирования моделей из повторно используемых компонентов, моделирующих типовые элементы инновационных процессов. Отличительной особенностью реализованной технологии является перевод описаний системно-динамических шаблонов в XML-формат, что позволяет использовать модели автономно (без среды моделирования). Предлагаемые разработки являются предметно-независимыми и могут быть использованы для создания систем моделирования других пред- метных областей.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

756
Предмет исследования. Сформулирована и обоснована актуальность проблемы формирования, контроля и оценивания результатов обучения по компетентностно-ориентированным образовательным программам. Определены объекты контроля – элементы и компоненты компетенций, формируемые в модулях, дисциплинах и разделах образовательной программы. Поставлены частные задачи определения уровня освоения компетенций и их составляющих, сформулирована цель работы. Методы исследования. Предложено привлечение к решению задач контроля, дешифрации и оценивания результатов обучения некоторых адаптированных положений аппарата и методов технических наук. Предложен подход к количественной оценке результатов тестирования, основывающийся на использовании аддитивного интегро-дифференциального критерия оценивания. Основные результаты. Сформулированы и доказаны утверждения, определяющие условия уверенного и неуверенного принятия (неопределенности) решения об уров- не освоения контролируемых тестом элементов дисциплинарных компетенций по результатам реализации теста. Оценены вероятностные характеристики обоих вариантов принятия решения. Предложены варианты применения математического аппарата детерминированной или нечеткой логики для уменьшения неопределенности при приня- тии решения; выбрано дальнейшее направление исследований по разработке методики и алгоритмов дешифрации результатов реализации совокупности диагностических тестов. Практическая значимость. Показано, что предлагаемый подход к количественной оценке результатов реализации тестов позволит автоматизировать элементы процедуры формирования и анализа результатов обучения, заданных в компетентностном формате.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

764
Предложены результаты исследования эффективности поиска актуальных данных в темпоральных базах знаний, построенных в базисе состояния–события и позволяющих, наряду с быстрым доступом к актуальным состояниям, обращаться к предыстории на основе хронологии событий. Показано, что хранение данных на глубокую ретроспективу приводит к существенному увеличению времени поиска за счет роста дерева решений. Исследовано время поиска в темпоральных базах знаний в зависимости от среднего числа событий, предшествующих текущему состоянию. Полученные результаты подтверждают преимущество баз знаний в базисе состояния–события перед традиционными методами построения интеллектуальных систем.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика