МГТУ им. Н.Э. Баумана (статьи)

Предложен подход к организации вычислений в рамках термодинамической модели, описывающей фазовое равновесие в многокомпонентных магнитных сплавах на основе системы Fe–Cr–Co. Приведено краткое введение в предметную область решаемой задачи, описание основных составных частей модели, подробно описана схема вычислений.

Приведена методика нормировки и анализа спектров, получаемых при трассовом режиме работы фурье-спектрометров с применением внешнего источника инфракрасного (ИК) излучения. Рассмотрены ИК-спектры в среднем ИК-диапазоне длин волн 7…14 мкм, получаемые на трассах длиной не менее 100 м. Предлагаемая методика обработки спектров позволяет проводить спектральный анализ по единичному спектру без предварительной регистрации спектра фона.

Установлена связь сигнала четырехфотонного параметрического рассеяния с процессом вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) лазерного излучения в воде. На пороге возникновения ВКР в спектре нелинейного рассеяния обнаружена структура, обусловленная межмолекулярными либрационными колебаниями молекул воды.

Зарегистрированы спектры фотолюминесценции ароматических соединений при возбуждении светодиодом ультрафиолетового излучения с длиной волны 280 нм. Установлено, что спектр фотолюминесценции таких соединений имеет вид полос, расположенных в области длин волн 290…550 нм, характерной для ароматических соединений. Наблюдается возбуждение синглетных уровней ароматических молекул, расположенных вблизи края поглощения ароматических соединений.

Рассмотрены механизмы измельчения частиц минералов под действием импульсного электрического разряда в жидкости. Теоретически и экспериментально показано, что непосредственное действие ударной волны разряда и кавитация у свободной поверхности жидкости не являются основными механизмами дробления частиц кварца с начальным размером менее 0,5 мм. Определен фракционный состав продукта дробления и характер повреждений.

В статье описан метод решения проблемы идентификации человека по голосу. Рассматриваются методики анализа и системы коэффициентов звукового потока. Приведены алгоритмы предварительной обработки сигнала и выделения критериев. Описана модификация сети встречного распространения и карты Кохонена.

Одним из основных путей уменьшения ошибок численного прогноза погоды является улучшение оценки состояния атмосферы, используемой в качестве начальных данных для прогностической модели. Вычислительная сложность алгоритмов усвоения данных диктует необходимость их эффективной параллельной реализации. В работе описана параллельная реализация алгоритма усвоения данных с помощью локального ансамблевого фильтра Калмана с преобразованием ансамбля. Приведены результаты ускорения и эффективности параллельной реализации. Показано, что неравномерное распределение вычислительной нагрузки между процессами ограничивает эффективность параллельного алгоритма. Работа выполнена при поддержке грантов в форме субсидий Минобрнауки России по соглашениям 8350 и 8344 от 17.08.2012 г.

Основываясь на преимуществах кратномасштабного анализа, можно проводить фильтрацию шума, учитывая особенности сигнала. В применении к изображениям разработан метод подавления шума, использующий на этапе фильтрации коэффициентов вейвлет-преобразования гистограмму коэффициентов для определения порога фильтрации по доле вклада фильтруемых коэффициентов в сигнал. Метод апробирован, экспериментально доказана его эффективность в сравнении со стандартными методами, даны рекомендации о выборе параметров фильтрации.

Приведен анализ существующих алгоритмов формирования устойчивых хешей изображений. Предложен алгоритм по формированию индекса для поиска похожих изображений транспортных средств (ТС) на основе найденных особых точек с помощью модифицированного алгоритма SIFT. Для выделения ограничивающего прямоугольника ТС описывается алгоритм, основанный на использовании оси симметрии. Отражены результаты проведенных экспериментов при поиске визуально похожих изображений на основе реальных фотографий ТС. Полученные экспериментальные результаты показывают возможность практического применения предложенного алгоритма в системах идентификации ТС на основе распознавания государственных регистрационных знаков. Предлагаемый алгоритм применим для поиска похожих ТС.

Представлено описание задачи отслеживания объектов в видеопотоке, введены основные понятия проблемной области, освещены типовые решения задачи. Более подробно рассмотрены несколько решений с позиции проблемы перекрытий как одной из наиболее весомых. Приведены основные направления будущих исследований.

Если перемененные, хранящие идентификатор полученного ресурса, являются локальными для некоторой функции, то ресурс должен быть свободен до момента ее завершения, иначе его освобождение произойдет только при уничтожении процесса. Оно также должно осуществляться в соответствии с жизненным циклом идентификатора ресурса. Для проверки корректности освобождения локальных ресурсов предложен алгоритм, основанный на статическом анализе ГПУ функции. Он позволяет обнаруживать утечку таких локальных для функции ресурсов, а также попытку повторного освобождения, использования после освобождения и попытку освобождения невыделенного ресурса. Программная реализация предложенного алгоритма использует ГПУ функции на языке C, полученный компилятором GCC. Разработанное программное обеспечение может обнаруживать ошибки, связанные с освобождением локальных ресурсов.

Рассматриваются вопросы проектирования персонального мобильного интерфейса «человек—машина» для управления пилотируемыми космическими аппаратами на базе планшетного компьютера. На основе анализа существующих средств управления разрабатывается концепция внедрения мобильных устройств в бортовой комплекс управления. Приведено описание и результаты эксперимента по интеграции такого устройства в бортовую вычислительную систему Многоцелевого лабораторного модуля Международной космической станции.

Показана возможность применения обобщенного полиномиального хаоса для исследования устойчивости стохастических динамических систем с вероятностной неопределенностью. Определены виды неопределенностей. Даны и оценены различные виды неопределенностей, показаны направления их учета при исследовании стохастических динамических систем. Рассмотрено множество ортогональных полиномов, дан анализ их свойств. Для различных функций плотности вероятности неопределенности получены их разложения в виде ортогональных полиномов. Приведен пример практического применения обобщенного полиномиального хаоса для построения модели стохастической системы, позволяющий представить исходную систему в виде детерминированной, но более высокой размерности. В качестве возможного варианта исследования стохастических систем с неопределенностью рассмотрена функция плотности распределения Коши.

Разработано и исследовано математическое и алгоритмическое обеспечение основных режимов функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) и системы управления движением и навигации (СУДН) на участках управляемого полета малогабаритного космического аппарата (МКА). Для повышения точности БИНС разработаны алгоритмы комплексной обработки информации совместно с астродатчиком. Полученные результаты (методы, модели, программно-алгоритмическое обеспечение) могут быть использованы при разработке бесплатформенных систем ориентации и навигации МКА нового поколения, а также при разработке нового и модернизации имеющегося программно-математического обеспечения БИНС МКА.

Проникновение магнитного поля в массивные образцы высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) традиционно рассматривается с позиций электродинамики сверхпроводников второго рода, хотя ВТСП является множественной джозефсоновской средой. Путем усреднения микроскопических параметров джозефсоновской среды в работе выводится материальное уравнение такой среды. Показывается, что общий вид предлагаемого материального уравнения практически не зависит от закона распределения сверхпроводящих гранул по размерам. На основе полученного материального уравнения исследуется проникновение магнитного поля в джозефсоновскую среду. Моделируются также вихревые решения полученного уравнения и делается вывод о том, что в ВТСП должны реализовываться магнитные вихри, содержащие один квант магнитного потока.

Описывается возможность применения технологий «машинного зрения» к решению задач ориентации, навигации и управления беспилотными летательными аппаратами, а также проблема идентификации местоположения наблюдаемого объекта на основе сравнения его очертаний с эталонным изображением на цифровой карте местности. Решается задача выделения контуров объектов при обработке данных дистанционного зондирования Земли. Предлагается подход к выделению и сравнению очертаний объекта, основанный на контурном анализе. Описываются методологии выделения и сравнения контуров. Определяются показатели сходства контуров. Анализируются проблемы, возникающие при построении и сравнении выделенного и эталонного векторов, указываются пути их решения. Обосновывается выбор вычислительных методов для решения поставленных задач. Для замыкания контуров применяется метод картографической генерализации, основанный на теории фракталов, для упрощения контуров — метод де Берга, позволяющий получать контуры без самопересечений. Приводятся результаты апробации применения контурного анализа к фрагменту космоснимка, включающего, в том числе, природные объекты.

На основе решения нечеткой вариационной задачи и теории нечетких линейных систем разработан алгоритм синтеза нечеткого управления при ограничении на управление для нечеткой задачи Лагранжа (задачи о быстродействии). Приведен пример построения оптимальной нечеткой фазовой траектории и нахождении «сильного или слабого» времени перехода из нечетких состояний.

Обсуждаются методические принципы обучения модельно-ориентированному проектированию систем управления. На основе проектного менеджмента и систем поддержки и управления проектами предлагается командное обучение проектированию систем управления в визуальных инструментальных средах в технических университетах.

Одна из проблем, которую необходимо решать во время полета, — оценка области достижимости летательного аппарата (ЛА). Эта задача подразумевает многократное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающей движение ЛА. В данной работе излагается новый подход получения оценочных траекторий разворота ЛА в плоскости без решения дифференциальных уравнений математической модели движения в реальном масштабе времени. Этот подход базируется на получении сети опорных траекторий на основе сетки по начальным скорости и высоте ЛА и получении коэффициентов полиномиальной аппроксимации, описывающих эти траектории. В результате новая плоская траектория разворота ЛА может быть получена аппроксимацией новой траектории между четырьмя узлами сети на основе полученного множества коэффициентов. Рассматриваются вопросы времени решения задачи, вычислительной ошибки и памяти, требуемой для хранения коэффициентов.

Рассмотрены традиционные методы получения точечных оценок применительно к «гибридным» данным, которые являются одной из разновидностей нечетких случайных переменных. Методами теории нечетких линейных систем показано, что при обработке «гибридных» данных возникают «сильные/слабые» оценки точечных параметров. Приведены простейшие примеры обработки нечетких случайных данных.

Приведено описание стенда математического и полунатурного моделирования системы управления семизвенным манипулятором. Представлена структура системы управления манипулятором и такая организация процесса разработки с помощью стенда моделирования, которая позволила реализовать систему управления в процессе выполнения опытно-конструкторской работы. Дано описание программных компонент стенда, таких как система трехмерной визуализации манипулятора, система математического моделирования манипулятора совместно с системой управления. Кратко описано применение операционной системы реального времени для организации моделирования работы манипулятора и реализации системы управления манипулятором.

Для ускорения и упрощения процесса моделирования динамических систем разработано и протестировано алгоритмическое и программное обеспечение многомерного и параметрического методов реализации их дискретных цифровых моделей. Полученные результаты применимы к моделированию линейных стационарных и нестационарных, а также нелинейных динамических систем.

Излагается опыт разработки алгоритмов управления движущимся объектом со многими степенями свободы на примере многозвенного робота-манипулятора. Рассмотрена, в частности, задача согласованного ручного управления человеком-оператором несколькими многозвенными манипуляторами. Такая задача актуальна при создании медицинских роботов-ассистентов для малоинвазивной хирургии, т. е. для хирургических операций, выполняемых с минимальным повреждением тканей.

Предложены методика и программное обеспечение в среде MATLAB для оценки эффективности однотипных научно-исследовательских работ, основанные на использовании метода анализа иерархий. Методика позволяет проводить ранжирование НИР по степени их эффективности, оценить степень важности критериев при оценке работ, эффективно ранжировать направления работ и в итоге получить количественную оценку сравниваемых работ.

Анализируются проблемы управления ресурсами и принятия решений в задачах конфликтного взаимодействия сложных многообъектных систем летательных аппаратов наземного и воздушного базирования. Рассматривается комбинированная структура управления ресурсами систем, включающая их конфигурации, элементы целераспределения и ранжирования объектов систем, а также прогноз динамики средних численностей групп объектов систем. Формируется схема и математическая модель многорубежной конфликтной ситуации с учетом множества конфигурационных параметров систем. Реализуется метод конфликтно-оптимального управления ресурсами систем, на основе которого проводится многофакторный анализ эффективности влияния параметров конфликта на оптимальное управление ресурсами систем с возможностью получения позиционного прогноза управления.

На основе ленточных матриц управляемости и наблюдаемости линейной алгебродифференциальной системы с одним входом и одним выходом получены явные формулы синтеза регулятора и наблюдателя состояния, обеспечивающие заданные коэффициенты характеристического полинома замкнутой системе. Приводимые формулы синтеза играют для алгебро-дифференциальных систем такую же роль, какую играют формулы синтеза Аккерманна и Басса — Гура для линейных систем стандартного вида.

Для линейной стационарной динамической системы с релейно-импульсными исполнительными органами разработан алгоритм, позволяющий применять методы модального управления к решению задачи поиска терминального управления. С использованием предложенного алгоритма решена задача терминального управления сближением космических аппаратов с двигателями постоянной тяги, имеющими декартовую схему расположения.

Рассматривается задача синтеза в продольном канале закона управления движением космического аппарата в атмосфере Земли при посадке. С применением метода точного размещения полюсов получено аналитическое решение задачи, позволяющее формировать для каждого такта работы бортовой машины стабилизирующее управление.

В работе рассматриваются некоторые типовые и перспективные структуры сложных систем управления и обсуждаются известные и разрабатываемые методы оптимизации управления многообъектными многокритериальными системами (ММС) и иерархическими системами (ИС). Приводится схема оптимизации двухуровневой иерархической системы «управление-регулирование» на примере системы «наведение-стабилизация» летательного аппарата, а также результаты разработки алгоритма равновесноарбитражной оптимизации ММС на примере трехканальной системы стабилизации летательного аппарата.

Рассматривается задача оценки угловой скорости линии визирования в процессе сближения космических аппаратов по результатам измерения дальности и скорости продольного движения. Получено ее аналитическое решение. Приведены численные решения данной задачи.

На основе ленточных матриц специальной структуры определены необходимые условия одновременной стабилизации линейных SIMO-систем. Приведены практические примеры решения задач одновременной стабилизации SIMO-систем.

Рассматривается задача терминального управления линейной нестационарной дискретной динамической системой с векторным управлением. На основе техники делителей нуля приведены условия получения единственного решения задачи терминального управления, построено множество решений и описан подход к получению приближенного решения.

Для многомерной системы построен наблюдатель состояния, в основу которого положен метод оптимального размещения полюсов. Для международной космической станции получено аналитическое решение задачи оценки равновесной ориентации.

Описывается новый замкнутый метод преобразования прямоугольных геоцентрических координат в геодезические эллипсоидальные. Метод основан на решении двух матричных уравнений в квадратичной форме, построенных относительно координат точки, спроецированной по направлению нормали к поверхности эллипсоида вращения.

На основе метода точного размещения полюсов как наиболее универсального метода модального управления решается задача построения заданной ориентации космического аппарата с использованием элементов кватернионов при описании вращательных движений. В качестве примера рассмотрена задача управления угловым движением космического аппарата на участке посадки.

Рассматривается применение модального управления при наличии детерминирванных внешних возмущений к решению задачи управления угловым движением возвращаемого аппарата с посадочной твердотопливной двигательной установкой на участке приземления при описании кинематических уравнений в углах Эйлера — Крылова. Приведены примеры численного моделирования.

Рассматривается задача безрасходной разгрузки накопленного кинетического момента инерционных исполнительных органов автономного космического аппарата на высокоэллиптической орбите. Получено аналитическое решение задачи гравитационной разгрузки кинетического момента инерционных исполнительных органов в гироскопически связанных между собой каналах крена — рысканья и показаны преимущества этого решения.

Впервые рассмотрено применение метода Петрова — Галеркина в комбинации с методом R-функций (PGRM) для численно-аналитического решения системы уравнений в частных производных относительно функций температуры, вихря и тока, описывающих естественную тепловую конвекцию в двумерной полости произвольной формы. Решение модельных задач с помощью PGRM показало удовлетворительное согласование с результатами, полученными путем конечно-разностного и конечно-элементного моделирования. PGRM дает возможность абсолютно точно удовлетворить произвольным граничным условиям, получить приемлемое решение в виде обобщенных рядов Фурье по системе небольшого числа глобальных базисных функций. Подходящий выбор базиса для функции вихря позволяет получить представление для функции тока без необходимости решения соответствующего дифференциального уравнения в частных производных.

Исследована надежность компьютерных сетей, структура которых хорошо отображается в виде случайного графа сетевого типа. Рассмотрена задача оценки вероятности связности случайного граф, посредством моделирования надежности компьютерных сетей, а также возможности управления надежностью и качеством компьютерных сетей. Изучена вероятность связности двух выбранных узлов сети между собой или одного из узлов сети со всеми остальными. Определены верхние и нижние границы для мер наиболее надежной коммуникационной сети.

Проанализирован специфичный для параллельных колоночных хранилищ данных план запроса со скрытым соединением. Приведено преобразование Лапласа — Стилтьеса времени обработки запроса с подобным планом в параллельном колоночном хранилище данных. Выполнено сравнение среднего времени выполнения запроса со скрытым соединением и пересечением NLJ.

Предложен алгоритм объединения автоматизированных учебных пособий на основе семантической сети понятий. Рассмотрены элементы формализованной модели автоматизированного учебного пособия на основе семантической сети понятий, необходимые для реализации алгоритма. Представлена классификация элементов модели на элементы с частичной эквивалентностью, элементы без частичной эквивалентности, ссылочные элементы. Для каждого класса элементов предложен отдельный алгоритм объединения, позволяющий разработчикам пособий независимо вносить в них изменения и затем объединять изменения в единое представление.

Рассмотрена сравнительная оценка алгоритмов перевода чисел и аппаратная реализация комбинационных преобразователей кодов. Представлены универсальные алгоритмы перевода чисел из одной позиционной системы счисления в другую, которые являются существенными для аппаратной реализации преобразователей, выполняющих перевод. Предложена сравнительная оценка алгоритмов перевода двоичного кода целых чисел в двоично-десятичный код и двоично-десятичного кода правильных дробей в двоичный, показавшая, что общим этих алгоритмов является состав арифметических операций. Генерация в программируемых логических интегральных схемах функций алгебры логики многих переменных табличными преобразователями позволяет уменьшить количество каскадов преобразователей кодов и наряду с другими высокими эксплуатационными параметрами достичь малых задержек распространения сигналов (~35 ? 50 нс) и низкой мощности потребления.

Рассмотрена возможность использования граф-схем для изображения алгоритмов решения параллельных задач при наличии циклических вычислений, а также условных операторов выбора направления вычислений. Предложенные методы изображения данных операторов позволяют легко строить параллельные ветви алгоритмов, что является достоинством этих методов. Отмечены различия для наиболее часто используемых языков программирования.

Рассмотрена методика проектирования баз данных, в рамках которой разработчик отталкивается от реальных данных, что позволяет формализовать процесс проектирования баз данных.

Рассмотрен метод визуализации поведения человека вербальной и невербальной форм, представляющих собой данные большого объема. Приведены модель и алгоритм визуализации этих данных с использованием метода параллельной агрегации. Предложена агрегирующая функция, выполняющая поиск экстремумов блоков данных с помощью модернизированного алгоритма «reduction tree», что позволяет приблизить сложность алгоритма к минимальной. Оптимизация осуществлена за счет отображения данных в глобальную память видеопроцессора, большей нагрузки каждого потока и использования меньшего количества потоков в одном блоке. Представлены результаты сравнительного анализа пропускной способности центрального процессора и двух типов графического процессора, выполняющих предложенный алгоритм.

Предложен новый класс быстрых алгоритмов Рейдера скользящего типа, основанный на выявленной взаимосвязи промежуточных выборок на текущем и предыдущих шагах скольжения. Получено аналитическое описание скользящего алгоритма Рейдера на различных уровнях прореживания исходной выборки сигнала. Предложены средства графического представления вычислительного процесса этого алгоритма в виде сигнальных графов специальной структуры. Получены аналитические оценки вычислительной сложности разработанных алгоритмов, подтвердившие их высокую эффективность по сравнению со статическими аналогами. Приведенные теоретические результаты проиллюстрированы конкретными примерами. Разработанные автором скользящие алгоритмы выполнения преобразований Рейдера являются оригинальными и эффективны для обработки сигналов любой длительности. Их применение особенно целесообразно при решении задач обработки спектральными методами в реальном масштабе времени.

Дано описание основных идей декларативного языка XLog, предназначенного для разработки систем интеллектуальной обработки Internet-информации. Приведены синтаксис и семантика основных конструкций языка, краткое описание архитектуры интерпретатора, а также примеры.

Рассмотрены существующие алгоритмы обработки запросов к дедуктивным базам данных, основанных на языке Datalog. Наиболее эффективный из них — рекурсивный алгоритм «запрос-подзапрос» (QSQR) — реализован в составе прототипа интерфейса программирования приложений.

Сформулированы основные задачи обработки биллинговой информации и рассмотрена возможность оптимизации их решения с использованием графовых баз данных, поскольку они обеспечивают наиболее естественное представление и дополнительные средства эффективной реализации алгоритмов анализа связей в социальных сетях. Выполнен краткий обзор графовых систем управления базами данных Sones, Neo4J и DEX и предоставляемых ими средств, а также сравнительное тестирование их производительности и реляционной системы управления базами данных Microsoft SQL Server 2012 на поставленных задачах анализа информации. Сделан вывод о применимости той или иной базы данных в зависимости от объема обрабатываемых данных.

Решены задачи определения параметров трехмерных объектов по двум проекциям (фотографиям). Рассмотрены математические аспекты, алгоритмы и приведено описание программного продукта.