Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Сибирский аэрокосмический журнал
Статья научная
Тенденции развития промышленности в области космических аппаратов (КА) ставят все более сложные задачи перед мехатронными системами. Ввиду усложнения процессов компоновки КТК и солнечных батарей, текущие методы раскрытия конструкций становятся менее надежными и актуальными. Помимо этого, развитие орбитальных станций приводит к возникновению целого спектра задач. Одним из перспективных подходов является использование мехатронных манипуляторов, однако, функциональность их применения сильно ограничена заранее определенными при разработке алгоритмами перемещения исполнительного органа и манипуляций над объектами. В связи с этим, возникает необходимость в проработке новых подходов к нахождению и определению формы целевого объекта, для дальнейшего просчета алгоритма его взаимодействия со схватом мехатронного манипулятора. В статье приводится метод реконструкции трехмерной формы объектов, основанный на применении системы технического зрения. Для получения пространственных характеристик сцены используется стереокамера. На основе полученных данных, сцена разбивается на несколько независимых геометрических поверхностей, с последующей поэтапной обработкой нейросетевыми алгоритмами. На каждом из этапов алгоритма происходит извлечение требуемых параметров целевых объектов. В качестве архитектуры нейронной сети используется YOLACT EDGE, осуществляющая семантическую сегментацию и классификацию объектов. Отдельной задачей можно вынести соотнесение пространственных характеристик целевых объектов и замещающей трехмерной модели. Для обеспечения этого соотнесения архитектура нейронной сети была дополнена ветвью «Маска опорных точек», обеспечивающей прогноз позиций опорных точек объектов, однозначно определяющих пространственные характеристики целевого объекта. В результате, полученная система способна обеспечить построение трехмерной карты зоны обметания в режиме реального времени. Кроме того, на основе полученной телеметрической информации возможен просчет траектории движения исполнительного органа манипулятора и его взаимодействия с объектами.
Бесплатно
Статья научная
Для анализа напряженно-деформированного состояния однородных и композитных тел (КТ) эффективно применяется метод многосеточных конечных элементов (ММКЭ), в котором используются многосеточные конечные элементы (МнКЭ). ММКЭ порождает многосеточные дискретные модели малой размерности, в которых неоднородная структура тел учитывается в рамках микроподхода с помощью МнКЭ. Базовые дискретные модели (БМ), учитывающие неоднородную структуру тел, имеют высокую размерность. Для понижения размерности дискретных моделей тел используется ММКЭ. Однако, существуют БМ КТ (например, БМ тел с микронеоднородной структурой), которые имеют такую высокую размерность, что реализация ММКЭ для таких БМ, в силу ограниченности ресурсов ЭВМ, затруднительна. Кроме того, для многосеточных дискретных моделей высокой размерности ММКЭ порождает численно неустойчивые решения, что связано с погрешностью вычислений ЭВМ. Для решения данных проблем здесь предлагается в расчетах использовать фиктивные дискретные модели, особенность которых состоит в том, что их размерности меньше размерностей БМ КТ. В данной работе предлагается метод фиктивных дискретных моделей (МФДМ) для расчета на статическую прочность упругих композитных тел с неоднородной, микронеоднородной регулярной структурой. МФДМ реализуется с помощью ММКЭ с применением скорректированных условий прочности, которые учитывают погрешность приближенных решений. В основе МФДМ лежит положение, что решения, отвечающие БМ КТ, мало отличаются от точных, т. е. эти решения считаем точными. Расчет КТ по МФДМ сводится к построению и расчету на прочность фиктивных дискретных моделей (ФМ), которые обладают следующими свойствами. ФМ отражают форму, характерные размеры, крепление, нагружение и вид неоднородной структуры КТ, распределение модулей упругости, отвечающее БМ КТ. Размерности ФМ меньше размерности БМ КТ. Последовательность, состоящая из ФМ, сходится к БМ, т. е. предельная ФМ совпадает с БМ. Как показывают расчеты, сходимость такой последовательности обеспечивает равномерную сходимость максимальных эквивалентных напряжений ФМ к максимальному эквивалентному напряжению БМ КТ, что позволяет применять такие ФМ в расчетах упругих тел на прочность. Рассматриваются два типа ФМ. Первый тип - масштабированные ФМ, второй - ФМ с переменными характерными размерами. В данной работе подробно рассматриваются ФМ второго типа. Расчеты показывают, что реализация ММКЭ для ФМ с одним, двумя или тремя переменными характерными размерами приводит к большой экономии ресурсов ЭВМ, что позволяет использовать МФДМ для тел с микронеоднородной регулярной структурой. Расчеты на прочность КТ по МФДМ требуют в 103 ¸ 107 раз меньше объема памяти ЭВМ, чем аналогичный расчет с использованием БМ КТ, и не содержат процедуру измельчения БМ. Приведенный пример расчета на прочность трехмерной композитной балки по МФДМ с применением ФМ с тремя переменными характерными размерами показывает его высокую эффективность.
Бесплатно
Программная система математического моделирования процесса электронно-лучевой сварки
Статья научная
В рамках настоящего исследования предложена программная система моделирования распределения температурного поля в установившемся режиме процесса электронно-лучевой сварки тонкостенных конструкций аэрокосмического назначения. Целью создания такой программной системы является повышение качества управления процессом электронно-лучевой сварки и, соответственно, снижение количества дефектов в сварных соединения тонкостенных конструкций. Программная система имеет модельную структуру и реализует предложенные ранее авторами модели распределения энергии. В качестве средств реализации программы были выбраны системы управления базами данных MySQL и программирования Embarcadero RAD Studio. Центральным звеном системы выступает база данных, позволяющая хранить и обрабатывать информацию как по математическому моделированию, так и по результатам имитационных и натурных экспериментов. В статье описана структура разработанной программной системы, а также представлены алгоритмы работы ее составных модулей. Система предоставляет пользователю возможность не только проводить моделирование по заданным технологическим параметрам (скорость сварки, ускоряющее напряжение, ток пучка, граничные условия, время моделирования, материал изделия), но и визуализировать результаты и сохранять их в единой базе данных. Применение предложенной системы позволяет не только минимизировать затраты предприятия на отработку технологических параметров установившегося режима для процесса электронно-лучевой сварки, но и создать гибкую информационную базу для сбора экспериментальной информации с целью дальнейшей автоматизации и интеллектуализации технологического процесса создания неразъемных соединений в рамках Индустрии 4.0.
Бесплатно
Пространственные двумерные решения
Статья научная
В работе рассматриваются стационарные пространственные уравнения идеальной пластичности с условием текучести Мизеса. Материал предполагается несжимаемым. Подробно изучен случай, когда все три компоненты вектора скорости и гидростатическое давление зависят только от двух координат x, y. Для этого случая введено новое название - пространственная двумерная система уравнений, чтобы отличить ее от общепринятых двумерных систем уравнений, когда от нуля отличны только две компоненты вектора скорости и гидростатическое давление. Доказано, что система допускает, в смысле С. Ли, алгебру Ли размерности 10. Показано, что пространственное двумерное деформированное состояние - это есть суперпозиция плоского напряженного состояния и пластического кручения вокруг оси z. Построены два инвариантных решения уравнений, описывающих пространственное двумерное деформированное состояние. Первое решения можно использовать для описания пластических течений между двумя жесткими плитами, которые сближаются с разными скоростями. Второе решение служит для описания напряженно-деформированного состояния материала внутри плоского канала, образованного сходящимися плитами.
Бесплатно
Разработка методики тестирования сетевых коммутаторов Spacewire
Статья научная
В работе представлены основные пункты разработанной методики тестирования сетевых коммутаторов SpaceWire. Обозначены главные цели тестирования данного оборудования. Приведена структурная схема рабочего места, а также список оборудования с его кратким описанием для проведения тестов. Для проведения тестов было разработано специальное программное обеспечение, реализованное в виде консольного пользовательского приложения. В методике подробно описывается каждый шаг работы с данным приложением. В рамках данной статьи описываются алгоритмы, которые реализуются при работе с приложением. Эти алгоритмы представлены в виде блок-схем, а также текстового описания. Среди алгоритмов выделены две группы: базовые и расширенные. Для первой группы можно выделить базовый тест для проверки принципа удаления заголовка в соответствии с путевой адресацией; нагрузочный тест для проверки корректной работы коммутатора при высокой загрузке коммутирующей матрицы, а также проверки удаления поступающих пакетов, не содержащих в своем заголовке адреса для отправки на один из портов коммутатора; тест исключительной ситуации для проверки корректности работы коммутатора при высокой загрузке приемного буфера поступающими данными. Для второй группы можно выделить тест таблицы маршрутизации для проверки корректности обработки коммутатором строк, записанных в таблицу маршрутизации; тест широковещания для проверки возможности коммутатора отправлять один пакет данных с нескольких портов одновременно; тест групповой адаптивной маршрутизации для проверки возможности коммутатора при выборе множества портов для передачи данных отправлять их с порта, имеющего наивысший приоритет. Все обозначенные алгоритмы были опробованы радиационно-стойкой отказоустойчивой сверхбольшой интегральной схемой программируемого мастер-коммутатора 3-го уровня. В заключение обозначены дальнейшие планы по развитию методики.
Бесплатно
Разработка перенастраиваемых диапазонных генераторов шума
Статья научная
Целью работы является разработка и исследование принципа работы перенастраиваемых диапазонных генераторов шума (ПДГШ), их характеристик, формирователя шумового сигнала модульного типа, в котором обеспечивается управление шириной спектра шумового сигнала для использования в качестве средств постановки шумовых радиопомех, посредством формирования и излучения в окружающее пространство электромагнитных полей энергетического спектра в заданных диапазонах частот, с возможностью изменения амплитуды и полосы сигнала. Для улучшения характеристик и придания им более широкого применения с целью качественного противодействия несанкционированному съему злоумышленниками информации по каналам излучения побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ), необходимо создавать многоканальные адаптивные ПДГШ. В разрабатываемых генераторах в каждом канале зашумления можно обеспечить регулировку мощности формируемого шумового сигнала и управление шириной полосы частот зашумления, что позволит повысить электромагнитную совместимость подобных устройств. Для обеспечения этого предлагается использовать концепцию проектирования, основанную на применении управляемых модулей источников шума (УМИШ) с полосовыми фильтрами, что также позволяет получить равномерный по амплитуде шумовой сигнал.
Бесплатно
Разработка рабочего места и алгоритмов тестирования бортового оборудования SpaceWire
Статья научная
В зарубежной космической отрасли на протяжении долгого времени используется одна из наиболее передовых и активно развивающихся технологий передачи информации на борту космического аппарата - SpaceWire. Данная технология обеспечивает высокоскоростную передачу больших объемов информации, создание единой инфраструктуры высокоскоростной обработки данных для соединения датчиков, элементов системы обработки данных и блоков массовой памяти. В России SpaceWire постепенно внедряется и используется на перспективных космических аппаратах. Для проверки соответствия бортовой аппаратуры таких аппаратов требованиям стандарта SpaceWire ECSS-E-ST-50-12C Rev.1 существует необходимость в разработке рабочего места, описанного в данной статье. Рабочее место предназначено для того, чтобы к нему можно было подключить бортовое оборудование SpaceWire и запустить тесты, проверяющие определенные параметры информационного обмена, регламентируемые стандартом. В статье представлена общая структура рабочего места, а также описание каждого из его элементов в отдельности вместе с изложением их функционала. Также в статье описаны разработанные алгоритмы тестирования. Среди них можно выделить проверку на соответствие коэффициенту битовых ошибок требуемому значению, проверку поддержки метода удаления заголовка коммутаторами SpaceWire, а также проверку на соответствие требованиям к транспортным протоколам RMAP и СТП-ИСС. Алгоритмы данных тестов представлены в виде блок-схем и подробного текстового описания. Сами тесты реализованы в виде программного кода на языке C. В качестве подтверждения корректности работы разработанных тестов было проведено практическое тестирование устройств SpaceWire, среди которых можно выделить две платы полезной нагрузки для космического аппарата «НОРБИ», а также сверхбольшую интегральную схему 1931КХ014 программируемого коммутатора для сетей SpaceWire. Приведено краткое описание используемых в работе устройств тестирования в виде изложения их функционала, применимого к разрабатываемому рабочему месту тестирования.
Бесплатно
Статья научная
Предложен способ кодирования двоичного потока данных на основе квадратурной фазовой манипуляции QPSK, обладающий высокой скоростью и контролем наличия ошибок в канале передачи данных. Представлен алгоритм анализа сигналов в приемном тракте, позволяющий анализировать присутствие двух или трех импульсов разных цветов на входе, что сигнализирует о наличии помехи или возникновении «засветки». Кроме того, алгоритм обеспечивает возможность динамической компенсации внешней «засветки» путем изменения коэффициента усиления фотоприемников и регулировки яркости излучающих светодиодов. Разработана функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа кодирования в беспроводном канале на основе оптического излучения. Учитывая, что большинство фотодиодов являются достаточно широкополосными в видимом диапазоне световых волн, для повышения чувствительности каждого цветового канала и селективности приемного тракта, предложено использовать оптические фильтры для каждого цветового канала. Наиболее эффективными являются интерференционные фильтры из оптически прозрачных материалов с различными физическими характеристиками. Представлен подход для расчета оптических фильтров.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается роль информационных технологий на промышленных предприятиях ракетно-космической отрасли, приводятся результаты анализа научных источников по организации систем информационной поддержки для принятия управленческих решений, анализ существующих методик построения управленческого учета на предприятиях и способов его автоматизации. Делаются выводы о недостаточной проработанности изученных решений, как с точки зрения логики организации учета, так и с технической точки зрения. Определяются основные задачи системы информационной поддержки, методы формирования эффективного управленческого учета и цели его внедрения. Предлагается подход к созданию системы информационной поддержки в виде надстроенной управляющей базы данных в виде OLAP-решения, посредством которой интегрируются функциональные информационные системы и строится детализированный управленческий учет, связанный с бухгалтерским и налоговым учетами в единую систему в едином информационном пространстве. Описываются преимущества внедрения предлагаемой системы, позволяющей проводить всесторонний ретроспективный и оперативный анализ текущего состояния протекающих на предприятии процессов с денежной оценкой средствами SQL с высокой степенью доверия к данным. Оговариваются принципы создания элементов информационной системы для последующего эффективного план-факт анализа и выработки управленческих решений. Приводится схема организации единого информационного пространства и системы, обеспечивающей информационную поддержку процессов управления предприятием, рассматриваются основные информационные потоки. Описывается логика поддержания процесса формирования структурированного хранилища данных при автоматизации финансово-экономической части АСУП на базе представляемого способа организации данных, позволяющая увязать управленческий, бухгалтерский и налоговый учеты с одним источником актуальных данных, создавая при это эффективное OLAP-решение. Приводится наглядный пример организации данных в виде увязки средствами БД отражений первичных документов предлагаемым способом, обеспечивающим возможность оперативного анализа дебиторской и кредиторской задолженности и осуществления предварительного финансового контроллинга. Приводятся примеры интерфейсов пользователя из разработанной системы информационной поддержки, построенной на описываемых способах организации данных. Делаются выводы об эффективности предлагаемого решения.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлено расчётно-экспериментальное исследование динамических характеристик макета рамы телескопа космического аппарата. Основное внимание уделено методике проведения вибродинамических испытаний с использованием трёхкомпонентного лазерного виброметра и созданию конечно-элементной модели исследуемого макета. Для анализа динамики конструкции определены основные критерии, такие как модальные параметры, валидация модели и гармонический анализ. Особое внимание уделяется влиянию преобразования экспериментальных данных на точность расчёта критерия модальной достоверности. Исследован макет рамы телескопа, представляющий собой ферменную конструкцию, закреплённую на пружинах. Испытания проводились путём приложения случайного воздействия типа «белый шум». Получены динамические характеристики конструкции, включая собственную частоту колебаний, которая составила 93,7 Гц. Экспериментальные данные сравнивались с результатами конечно-элементного моделирования, показавшими значительное расхождение между ними, особенно в области собственных частот. Это свидетельствует о необходимости корректировки конечно-элементной модели. Рассмотрены различные критерии оценки соответствия расчётных и экспериментальных моделей, такие как координатный критерий модальной достоверности (COMAC), критерий модальной достоверности (MAC), взаимный критерий гарантии (CSAC) и взаимный коэффициент пропорциональности (CSF). Эти критерии помогают оценить степень совпадения форм колебаний и частотных характеристик. Проведён анализ влияния преобразований экспериментальных данных в разные единицы измерения на результаты расчётов этих критериев. Сделан вывод о том, что текущая расчётная модель требует доработки и уточнения параметров для достижения лучшего соответствия с реальностью.
Бесплатно
Решение задачи о растяжении упругопластической полосы, ослабленной разрезами и отверстиями
Статья научная
В данной работе строится граница между упругой и пластической областями в растягиваемой полосе. Полоса ослаблена боковыми разрезами и отверстиями. Разрезы могут иметь произвольную форму, их количество не ограничено. Такие задачи являются актуальными до сих пор, поскольку их решение позволяет сделать оценку предельного состояния рассматриваемой конструкции. Для решения подобной задачи в настоящее время очень часто используются численные методы, к сожалению, часто без особого обоснования. Поэтому все более актуальными становятся аналитические методы решения подобных задач. В настоящей работе приведены законы сохранений дифференциальных уравнений. Сохраняющийся ток линеен по первым производным. Задача решается в два этапа. На первом этапе решается Дирихле для уравнения Лапласа, на втором – используется техника законов сохранения. Это позволяют свести нахождение компонент тензора напряжений в каждой точке к контурному интегралу по границам рассматриваемой области и дает возможность построить упругопластическую границу. Построенное решение позволяет написать программу для численного расчета задачи о растяжении полосы, ослабленной разрезами и отверстиями. При этом форма разрезов и отверстий не существенна, достаточна, чтобы границы были кусочно-гладкими.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматривается решение задачи фильтрации с применением фильтра Калмана при оптимальной настройке радиоотражающего сетеполотна. Рассмотрен крупногабаритный трансформируемый рефлектор космического базирования. В процессе выведения данной конструкции на заданную орбиту возможен уход реальной формы радиоотражающего сетеполотна от желаемой. Для обеспечения поточечной настройки активной части сетеполотна применяется тросо-вантовая система. Узловые точки радиоотражающей поверхности связаны с тыльной стороной сетеполотна через ванты. В них встроены актюаторы, позволяющие изменять длину вант. В качестве исполнительного органа выбран пьезоактюатор. Путем поточечной настройки пьезоактюаторов происходит натяжение сетеполотна до необходимой формы. Это позволяет обеспечивать качественную диаграмму направленности и высокий уровень сигнала при приёмепередаче данных. Приведены конкретные значения возмущающих воздействий. Для измерения напряжения питания на пьезоактюаторе и длины ванты применяются преобразователь напряжения и лазерный сканер. Определены возможные отклонения от расчётного начального положения. В соответствии с принципом разделения сперва решается задача оценивания, затем задача управления. Задача оценивания решается с использованием фильтра Калмана. Задача управления - с использованием алгоритма оптимального управления по иерархии целевых критериев. Представлены результаты численного моделирования. Показано успешное решение поставленной задачи при вариативных значениях шумов измерений и возмущающих воздействий. Приведено сравнение с траекториями, полученными с использованием различных алгоритмов оптимального управления.
Бесплатно
Статья научная
Отказы элементов при работе технических и многих других систем имеют, как правило, случайный характер. Это приводит к различным моделям процесса восстановления, изучаемым в теории вероятностей и математической теории надежности. В процессе восстановления отказавшие элементы восстанавливаются или заменяются на новые, при этом часто происходит изменение стоимостей и качества восстанавливаемых элементов (функций распределения наработок до отказа). В работе рассматривается функция затрат (средняя стоимость восстановления) в процессе восстановления порядка в котором по определенному правилу изменяются стоимости каждого восстановления и функции распределения наработок. Учитывая, что функция восстановления (среднее число отказов) хорошо изучена в теории надежности, получено решение интегрального уравнения для функции затрат через функцию восстановления рассматриваемой модели. Для процесса восстановления порядка получена формула вычисления функции затрат через функцию восстановления простого процесса, образованного сверткой всех функций распределения периодической части. Для практического применения получены явные формулы функции затрат при процессе восстановления, у которого периодическая часть распределена по экспоненциальному закону или закону Эрланга порядка m с одним и тем же показателем α. Полученные формулы могут быть использованы для изучения свойств функции затрат и решения оптимизационных задач в стратегиях проведения процесса восстановления в терминах «цена», «качество», «риск», если, например, за качество принимать среднее число отказов, за цену - среднюю стоимость восстановлений, за риск - дисперсии числа отказов или стоимости восстановлений.
Бесплатно
Решение краевых задач уравнений двумерной теории упругости с помощью законов сохранения
Статья научная
Плоская задача для уравнений упругости достаточно хорошо изучена. Это объясняется ее важностью для приложений и тем, что уравнения сводятся к системе Коши - Римана. Несмотря на это, точных решений, которые описывали бы напряженно-деформированное состояние тел конечных размеров, не так много. Законы сохранения для дифференциальных уравнений появились более ста лет назад, но, как правило, они не использовались для решения конкретных задач, а представляли «чисто академический» интерес. Ситуация изменилась с развитием техники построения законов сохранений для произвольных систем дифференциальных уравнений, а затем - с использованием законов сохранения для решения краевых задач теории пластичности и упруго-пластичности. В этой статье построены новые законы сохранения для уравнений плоской теории упругости в стационарном случае. Эти законы образуют бесконечную серию, которая тесно связана с решениями уравнений упругости. Именно этот факт позволил свести решение краевых задач в терминах перемещений к вычислению контурных интегралов по границе области, ограниченной изучаемым упругим телом. Из данной методики следует, что область может быть многосвязной, а граница - кусочно-гладкой .
Бесплатно
Решение первой краевой задачи плоской теории упругости с помощью законов сохранения
Статья научная
Решению краевых задач для уравнений плоской теории упругости посвящено огромное количество работ. Большинство исследований этого направления основывается на формуле, найденной Г. В. Колосовым. Ему первому удалось выразить общее решение задачи о плоской упругой деформации через нахождение двух независимых функций комплексного переменного. Это позволило применить для решения задач теории упругости хорошо разработанную теорию аналитических функций. Позднее метод решения, основанный на формуле Колосова, был развит его учеником Н. И. Мусхелишвили. Но описанный метод имеет существенные ограничения. Он применим только для тех областей, которые можно конформно отобразить на круг. Поэтому необходимы и другие способы решения задач теории упругости, поскольку большое количество практически важных задач решается для областей, которые не удовлетворяют этому условию. Развиваемый в работе метод основан на использовании законов сохранения, которые построены для уравнений, описывающих плоское деформируемое состояние. Сделанные в работе предположения позволяют построить решение первой краевой задачи для произвольных плоских областей, ограниченных кусочно-гладким контуром. При этом нахождение компонент тензора напряжений сводится к вычислению контурных интегралов по границе рассматриваемой области. Как и в случае, рассмотренном Г. В. Колосовым, решение задачи основывается на двух точных решениях уравнений Коши – Римана, имеющих особенности в произвольной точке рассматриваемой области.
Бесплатно
Статья научная
Течение газа, вытекающего из сопла ракеты, описывается системой уравнений Навье - Стокса. Для поиска решения уравнений Навье - Стокса в общем случае используются численные методы. Однако даже современные численные методы не позволяют осуществить моделирование течения газа с учетом всех особенностей течения. Это связано со сложными физическими процессами, возникающими при течении газа из сопла, и ограничением вычислительных возможностей. Существует как минимум два пути решения этой сложности: разрабатывать численные методы, использующие меньшую вычислительную сложность, или повышать производительность вычислительных систем. В связи с этим, целью многих научных исследований является разработка численных методов, которые по отношению к существующим методам требуют меньше вычислительных ресурсов и, одновременно с этим, позволяют находить решение без потери точности. В 1959 г. Aksel C. Wiin-Nielsen представил новый численный метод для решения задачи прогнозирования погоды, названный методом траекторий. В 1966 г. К. М. Магомедов использовал аналогичных подход при разработке численного алгоритма для поиска численного решения задачи, моделирующей трехмерное течение газа. В 1982 г. O. Pironneau развил этот метод для построения численного решения двумерных уравнений Навье - Стокса. В настоящее время эти методы интенсивно развиваются и у них устоялось общее название: полулагранжевы или эйлеролагранжевы методы. Чтобы использовать преимущества этого подхода, ученые раскладывают уравнения Навье - Стокса на три составляющие: конвективная часть (гиперболическая часть уравнений), эллиптическая часть и часть известных величин, которая записывается в правой части уравнений. При решении уравнений Навье - Стокса полулагранжевы методы используются для аппроксимации конвективной части. К этой части относятся все слагаемые уравнения неразрывности. Для разработки численного метода мы будем искать решение уравнения неразрывности. Консервативные версии полулагранжевых методов основаны на теореме Гаусса - Остроградского (теорема о дивергенции в зарубежной литературе). Такой подход позволяет достигнуть выполнения закона сохранения для численного решения задачи в норме пространства L1. Целью нашего исследования является разработка численного алгоритма с использованием разных шагов по времени в разных частях вычислительной области. Это позволит добиться выполнения одновременно трех важных свойств: сходимости численного решения задачи к точному ее решению, снижения вычислительной сложности метода, выполнения закона сохранения без использования поправочных (весовых) коэффициентов. Чтобы построить такой алгоритм, мы разбили одномерную вычислительную область на две части (подобласти), в которых мы используем разные шаги по времени. Основная сложность при разработке алгоритма состоит в поиске численного решения на границах двух подобластей. Одномерное (по пространству) уравнение неразрывности является тестовым уравнением для разработки алгоритма, на котором показана принципиальная возможность создания алгоритма с указанными свойствами. В дальнейших исследованиях этот алгоритм будет обобщен для решения двумерной и трехмерной задач. При моделировании реальных задач описанный подход позволит более точно моделировать течение газа без искусственного размывания, связанного с вычислением интегралов на нижнем слое по времени, в частях вычислительной области с высоким уровнем изменения численного решения
Бесплатно
Самоконфигурируемые алгоритмы генетического программирования с адаптацией на основе истории успеха
Статья научная
В данной работе представлен новый метод самонастройки алгоритмов генетического программирования (ГП), который базируется на идеях метода Success History based Parameter Adaptation (SHA), изначально разработанного для алгоритма дифференциальной эволюции (ДЭ). Основная идея метода заключается в динамическом анализе истории успешных решений для адаптации параметров алгоритма в процессе поиска решения. Для реализации этой концепции схема работы классического ГП была модифицирована таким образом, чтобы имитировать схему ДЭ, что позволило интегрировать механизм SHA в ГП. Полученный алгоритм, обозначенный как SHAGP (Success-History based Adaptive Genetic Programming), демонстрирует новые возможности для адаптации параметров, таких как вероятность скрещивания и мутации. В работе также проведён обзор существующих методов самонастройки алгоритмов ГП, что позволило выявить их ключевые преимущества и ограничения и использовать эти знания при разработке SHAGP. Дополнительно предложены новые операторы скрещивания, позволяющие динамически настраивать вероятность скрещивания, учитывать селективное давление на данном этапе, а также реализующие многородительское скрещивание. Такая модификация позволяет более гибко управлять процессом рекомбинации генотипов, улучшая адаптивность алгоритма к решаемой задаче. Для настройки вероятностей применения различных операторов (селекции, скрещивания, мутации) используются методы самоконфигурирования эволюционных алгоритмов, в частности, Self-Configuring Evolutionary Algorithm и Population-Level Dynamic Probabilities Evolutionary Algorithm. В рамках работы было реализовано два варианта алгоритма – SelfCSHAGP и PDPSHAGP. Эффективность предложенных алгоритмов была проверена на наборах задач из Feynman Symbolic Regression Database. Каждый алгоритм запускался многократно на каждой задаче для получения достоверной статистической выборки, а результаты сравнивались с использованием статистического критерия Манна – Уитни. Экспериментальные данные показали, что предложенные алгоритмы достигают более высокого показателя надёжности по сравнению с существующими методами самонастройки ГП, причём метод PDPSHAGP демонстрирует наилучшую эффективность более чем в 90 % случаев. Такой универсальный механизм самонастройки может найти применение в широком наборе областей, таких как автоматизация машинного обучения, обработка больших данных, инженерный дизайн, медицина, а также в космических приложениях, например, при проектировании навигационных систем для космических аппаратов и разработке систем управления летательными аппаратами. В этих сферах критически важны высокая надёжность алгоритмов и их способность находить оптимальные решения в сложных многомерных пространствах.
Бесплатно
Статья научная
В статье предлагается применение методов кластеризации для определения наиболее подходящего количества нечетких термов при построении генетической нечеткой системы. При этом система на нечеткой логике применяется для решения задач классификации данных и автоматически формируется генетическим алгоритмом. В работе использовался генетический алгоритм с кодировкой термов и классов в бинарную строку, при этом каждый индивид кодировал базу правил. Для построения базы правил необходимо задавать такой параметр, как количество нечетких термов, так как он существенно влияет на качество сформированных классификаторов. Для выявления лучшего метода кластеризации данных было проведено сравнение наиболее известных алгоритмов: DBSCAN, k-средних и алгоритм среднего сдвига. Для оценки эффективности подобранного количества нечетких термов были проведены вычислительные эксперименты на нескольких наборах данных. По результатам было определено, что алгоритм среднего сдвига подбирает такое количество термов, которое позволяет строить более точные классификаторы в сравнении с двумя другими методами, участвовавшими в тестировании. Также было проведено сравнение с альтернативными методами классификации, такими как k ближайших соседей, метод опорных векторов и нейронные сети, в результате которого предложенный метод показал сравнимое качество классификации. Разработанный подход к автоматизации определения количества термов позволяет исключить ручной подбор грануляции для различных данных, снижая затраты на создание эффективной нечеткой системы для задачи классификации.
Бесплатно
Статья научная
Многокритериальная нестационарная оптимизация является недостаточно изученным на данный момент классом задач оптимизации, однако представляет собой большую практическую ценность. В задачах многокритериальной нестационарной оптимизации целевые функции, их параметры и ограничения, накладываемые на область поиска, изменяются во времени, из этого следует изменение решения задачи. При возникновении изменений в задаче алгоритму необходимо адаптироваться к изменениям таким образом, чтобы скорость сходимости к решению задачи была достаточно высокой. Работа посвящена сравнению эффективности использования трех разных подходов к формированию популяции при возникновении изменений в задаче многокритериальной нестационарной оптимизации: использование полученных на предыдущем шаге решений, случайная инициализация популяции и частичное использование предыдущих решений. В первой части статьи приводится классификация изменений, возникающих в задачах этого типа; рассматриваются существующие на данный момент подходы к решению задач, основанные на использовании эволюционных алгоритмов. В ходе исследования при решении задач многокритериальной нестационарной оптимизации используются алгоритмы многокритериальной оптимизации NSGA-2 и SPEA2, для сравнения подходов к формированию популяции используется набор тестовых задач. Полученные результаты были обработаны с помощью статистического критерия Манна - Уитни. Было выявлено, что скорость изменений в задаче влияет на эффективность использования при формировании популяции решений, полученных в предыдущий момент времени.
Бесплатно
Уменьшение погрешностей местоопределений объектов радионавигационной системы
Статья научная
В представленной работе рассмотрен метод повышения точности местоопределения бортовой станции по сигналам радионавигационных систем наземного базирования. В радионавигационной системе на основе излучения сигнала ведущей опорной станцией производится приём сигналов ведомыми опорными станциями с определением моментов их прихода относительно собственных шкал времени. С другой стороны, на основе излучения сигналов ведомыми опорными станциями производится приём сигналов ведущей опорной станцией с определением моментов их прихода относительно собственной шкалы времени. Согласно измеренным моментам прихода излучённых сигналов, вычисляются временные поправки к шкалам времени ведомых опорных станций относительно ведущей опорной станции. Так как вычисление временной поправки производится за время не более 10 с, то исключаются случайные составляющие, обусловленные непостоянством скорости распространения поверхностной электромагнитной волны в следствие непостоянства параметров окружающей среды и параметров приповерхностного слоя участка распространения электромагнитной волны. При превышении вычисленного значения временной поправки длительности тактового интервала формируемого сигнала проводят коррекцию момента (с точностью до такта) формирования модулирующего кода сигнала, излучаемого ведомой опорной станцией, и коррекцию вычисленного значения временной поправки на величину скорректированных ранее длительностей тактов. Откорректированные значения временных поправок (предварительно закодированных) передаются каждой из ведомых опорных станций в составе их навигационных сигналов. Потребитель навигационной информации принимает сигналы, излучённые опорными станциями, через декодирование выделяет из сигналов опорных станций информацию о рассогласовании временных шкал и проводит измерения радионавигационных параметров с повышенной точностью, обусловленной компенсацией погрешности несинхронности сигналов излучения ведомых опорных станций радионавигационной системы.
Бесплатно
