Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Сибирский аэрокосмический журнал
Статья научная
Статья посвящена модификации автоматизированной информационной системы решения задач мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера с целью повышения эффективности ее функционирования, а именно: повышения скорости выполнения основных операций, снижения вероятности возникновения ошибок. Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций являются одними из приоритетных направлений в сфере обеспечения защиты населения от ЧС, так как предотвращение и ликвидация их последствий осуществляются на основе решения данных задач. При этом, скорость сбора, обработки и анализа данных во многом определяют эффективность полученных результатов. В статье рассматривается существующая система мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, ее функциональная модель в нотации IDEF0, характерные особенности, достоинства и недостатки. Предлагается совершенствование системы путем автоматизации ряда задач, связанных с обработкой, передачей и хранением больших объемов данных, поступающих, в том числе, и в режиме реального времени, а также с формированием сводных отчетов по результатам мониторинга и прогнозирования для различных объектов. Рассмотрена информационная архитектура предлагаемого решения, соответствующая модель базы данных. Представлена модель решения задач мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций с учетом предлагаемой модификации автоматизированной информационной системы. Проводится сравнительный анализ времени выполнения основных операций на основе исходной и модифицированной АИС при использовании существующего аппаратного обеспечения, подтверждающий эффективность предлагаемого решения. Предлагаемая автоматизация обмена данными и генерации сводных отчетов по множеству объектов мониторинга позволит упростить анализ полученных результатов и выработку на их основе решений, направленных на предотвращение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также ликвидацию их последствий.
Бесплатно
Поиск широкополосных сигналов наземной радионавигационной системы
Статья научная
В представленной работе рассмотрен метод временного поиска широкополосных сигналов при частотной манипуляции с минимальным сдвигом (ЧММС) радионавигационных систем (РНС) наземного базирования. Метод основан на многоальтернативном оптимальном обнаружении сигнала (сигнал может принадлежать к одному из ортогональных сигналов) с использованием оценочно-корреляционного принципа обработки (ОКПО) сигнала в условиях априорной неопределённости. Решена задача представления широкополосного сигнала с ЧММС как сигнала с двойной частотно-фазовой манипуляцией (ЧФМ). Определён закон фазовой манипуляции в форме двоичной последовательности элементов bl кода длины L τ э (в РНС «Спрут» L = 16383 , t э = 2, 5 мкс - длительность элемента сигнала) через закон частотной манипуляции в форме двоичной последовательности элементов dl известного кода длины L. Представление сигнала в форме с ЧФМ позволяет при корреляционной обработке применить замену корреляционного интеграла на интервале [0, L τ э ] на сумму L корреляционных интегралов на интервалах [0, τ э ] или на сумму L поэлементных корреляций. Вычисление поэлементных корреляций позволяет использовать матричный аппарат при ОКПО анализируемого сигнала. При технической реализации процедуры «поиска» отпадает необходимость в формировании 2 L пар опорных квадратурных сигналов при длине L модулирующего кода, а вместо этого производится запоминание пары поэлементных корреляций и за время τ э , согласно элементу dlk кода, циклически сдвинутого на k - 1 элементов, частотной манипуляции и элемента bkl кода, циклически сдвинутого на k - 1 элементов, фазовой манипуляции, производится поблочное накопление L квадратурных корреляций. Использование верхней левой и нижней правой треугольных матриц с бинарными элементами bkl позволяет проводить поиск широкополосных сигналов с ЧММС при дополнительной фазовой манипуляции дискретным информационным сообщением. Приведена структура оптимального алгоритма параллельного поиска при ОКПО широкополосного с ЧММС сигнала с применением матричного аппарата, позволяющего реализовать оптимальный алгоритм «поиска» за время длительности сигнала L τ э в режиме реального времени.
Бесплатно
Полуаналитический метод расчета упруго-гидродинамического контакта
Статья научная
Описан полуаналитический метод расчета упруго-гидродинамического контакта, основанный на частичном использовании Computer Aided Design / Computer Aided Engine ering (CAD/CAE) пакетов и решения интегрального уравнения функциональной связи между давлением и деформацией. Давление в смазочном слое описывается решением модернизированного уравнения Рейнольдса с учетом таких факторов, как упругая деформация поверхностей в зоне контакта, эффект кавитации в области низкого давления, переменная вязкость смазочного слоя, зависящая от термодинамических параметров. На основе стационарного решения получен тензорный коэффициент демпфирования, с помощью которого далее выполняются расчеты переходных нестационарных режимов, возникающих в случаях резкого изменения внешней нагрузки. Проведено сравнение результатов моделирования подшипника скольжения, полученных с помощью предложенного полуаналитического метода и полного расчета, выполненного с помощью CAD/CAE программ, таких как ANSYS и COMSOL Multiphysics. Сравнение показало хорошую сходимость всех численных методов. При этом «гибридный» метод показал ряд преимуществ по сравнению с прямыми расчетами в CAD/CAE пакетах, таких как более быстрая скорость расчета, невысокие требования к вычислительным ресурсам и учет кавитационного эффекта. Описанный полуаналитический метод позволяет создавать цифровые двойники подшипниковых узлов, центробежных насосов и гидроопор, использующихся в спутниковых системах охлаждения и поворотных механизмах наземных спутниковых антенн.
Бесплатно
Статья научная
В представленной работе приведена оценка помехоустойчивости параллельного алгоритма временного поиска широкополосных сигналов с частотной манипуляцией при минимальном сдвиге. В качестве критерия используется пороговое значение h 2 отношения Сигнал/ Шум, приходящееся на один L-ичный сигнал, при котором обеспечивается требуемая точность кодовой синхронизации с заданной вероятностью ошибок. В этом случае задача поиска формируется как задача распознавания L сигналов, модулирующие кодовые последовательности { dkl } которых отличаются временным циклическим сдвигом τ k = ( k - 1) τэ ( k = 1, L , L - длина модулирующей кодовой последовательности, t э - длительность элемента сигнала или элемента модулирующей кодовой последовательности), равной энергии. Предварительно определяется L-мерная плотность вероятности модулей V 1 ,..., VL ( Vi - модуль корреляции анализируемого и опорного сигналов на выходе квадратурного коррелятора). Вероятность ошибки определяется путём L-кратного интегрирования L -мерной плотности вероятности модулей V 1,..., VL . Решена задача определения энергетических потерь в анализируемом сигнале при воздействии структурной помехи. При этом используется квадратурная схема распознавания одного из двух дискретных сигналов и определяется отношение Сигнал/ Шум на выходе схемы распознавания с учётом действия структурной помехи и производится сравнение с отношением Сигнал/ Шум для анализируемого сигнала, действующего на входе квадратурной схемы распознавания. Приведена оценка воздействия структурной помехи на временной поиск с учётом нормированной периодической автокорреляционной функции (НПАКФ) анализируемого сигнала и структурной помехи (при L = 16383). Показано, что наиболее рационально работать с НПАКФ на его восходящем участке (потактовый интервал [ 361τэ ,540τэ ]), при этом коэффициент взаимной корреляции не превзойдёт 4 · 10-3 и эквивалентные энергетические потери анализируемого сигнала составят не более 3 дБ. При интенсивности £ 34 дБ структурной помехи использование восходящего участка НПАКФ позволяет минимизировать энергетические потери анализируемого сигнала и проводить временной поиск за время £ 0,35 с (при τэ = 2,5 мкс).
Бесплатно
Статья научная
В статье приведена постановка задачи оптимизации структуры аппаратно-программных комплексов, предназначенных для систем управления реального времени, применяемых, в том числе, в ракетно-космической отрасли. Кроме того, изучены особенности данной задачи, влияющие на выбор методов оптимизации. Делается вывод, что данная задача может быть эффективно решена с использованием эволюционных методов оптимизации. Существующие модели производительности позволяют определять минимальную аппаратную конфигурацию многопроцессорного вычислительного комплекса. Предложенный в данной статье подход позволяет находить конфигурации, обладающие аппаратной избыточностью (по сравнению с минимальной конфигурацией), но, за счёт этого, имеющие большую вероятность нахождения в состояниях, обеспечивающих производительность, достаточную для достижения целей функционирования проектируемой системы управления реального времени. Описанный подход является более гибким, чем простое дублирование всех аппаратных компонентов минимальной конфигурации, что может быть использовано для уменьшения затрат на создание и эксплуатацию проектируемой системы управления. Предложенная модель может быть использована для оптимизации производительности многопроцессорных аппаратно-программных комплексов систем управления реального времени. При этом нужно учитывать, что ресурсы, выделенные на создание и эксплуатацию аппаратнопрограммного комплекса, всегда ограничены. Поэтому целесообразно рассматривать задачу оптимизации производительности как многокритериальную: одним критерием будет производительность, а другим - затраты на создание аппаратно-программного комплекса.
Бесплатно
Статья научная
Композитные конструкции (тела) широко применяются в авиационной и ракетно-космической технике. Для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) упругих композитных тел (КТ) эффективно применяется метод многосеточных конечных элементов (ММКЭ), который реализуется на основе функционала Лагранжа (в перемещениях). При построении по известным процедурам многосеточного конечного элемента (МнКЭ), кратко - стандартного МнКЭ, используются мелкая (базовая) сетка, которая может быть сколь угодно мелкой, и крупные сетки, вложенные в мелкую. Мелкая сетка порождена базовым разбиением МнКЭ, которое учитывает в рамках микроподхода его неоднородную, микронеоднородную структуру. Крупные сетки используются для понижения размерности МнКЭ. Для стандартного МнКЭ характерно следующее. Всякая крупная сетка стандартного МнКЭ и отвечающие ей аппроксимации перемещений определяются на всей его области. Это приводит к увеличению размерности стандартного МнКЭ при повышении его порядка точности, так как в этом случае на крупных сетках определяются аппроксимации перемещений высокого порядка. Для уменьшения погрешности решений применяются высокоточные МнКЭ, т. е. высокого порядка точности, которые имеют большую размерность. Однако, применение высокоточных МнКЭ затруднительно, так как они образуют дискретные модели тел высокой размерности. В данной работе предлагается метод локальных аппроксимаций (МЛА) для построения высокоточных МнКЭ малой размерности (кратко - малоразмерных МнКЭ), которые используются для расчета НДС по ММКЭ упругих однородных и КТ. Рассмотрены два типа малоразмерных МнКЭ. Малоразмерные МнКЭ 1-го типа проектируются на базе стандартных с применением локальных аппроксимаций перемещений, которые определяются на подобластях стандартных МнКЭ, 2-го типа - с применением образующих конечных элементов (КЭ). Краткая суть построения малоразмерных МнКЭ 1-го типа состоит в следующем. Согласно МЛА на области V 0 стандартного МнКЭ определяем более мелкую сетку Н, чем его базовая. Область V 0 представляем граничными и внутренними областями. Граничные (внутренние) области имеют общую границу (не имеют общей границы) с областью V 0 , общие границы с областью V 0 не вырождаются в точку. На граничных (внутренних) областях определяем крупные сетки, которые вложены в мелкую сетку Н и порождают локальные аппроксимации перемещений малого (высокого) порядка. На области V 0 , используя локальные аппроксимации перемещений граничных и внутренних областей, строим МнКЭ. Затем с помощью метода конденсации выражаем перемещения внутренних узлов МнКЭ через перемещения узлов, лежащих на его границе, т. е. на границе области V 0 . В результате получаем высокоточный МнКЭ Vp малой размерности, т. е. малоразмерный МнКЭ 1-го типа, размерность которого равна размерности стандартного. Важно отметить, что при увеличении порядка точности МнКЭ Vp размерность его не меняется, т. е. не увеличивается, и поэтому он называется высокоточным МнКЭ малой размерности. Подробно изложена процедура построения малоразмерных МнКЭ 1-го типа. Как известно, расчет на статическую прочность упругих конструкций сводится к определению для них максимальных эквивалентных напряжений, определение которых с малой погрешностью для КТ в настоящее время является актуальной проблемой. Расчеты показывают, что малоразмерные МнКЭ 1-го типа порождают в КТ максимальные эквивалентные напряжения, погрешности которых в 25-50 раз меньше погрешностей аналогичных напряжений, полученных с помощью стандартных, на базе которых построены малоразмерные, т. е. малоразмерные МнКЭ 1-го типа более эффективны, чем стандартные. Применение в расчетах по ММКЭ малоразмерных МнКЭ 1-го типа позволяет для крупных дискретных моделей КТ определять максимальные эквивалентные напряжения с малой погрешностью. Показано построение малоразмерных МнКЭ 2-го типа, которые проектируются на базе стандартных высокоточных МнКЭ с применением образующих КЭ. Малоразмерный МнКЭ 2-го типа имеет такой же порядок точности, как стандартный, но размерность его меньше размерности стандартного. Достоинство малоразмерных МнКЭ 2-го типа состоит в том, что они порождают дискретные модели КТ меньшей размерности, чем стандартные.
Бесплатно
Построение динамической гибридной модели рекомендаций и исследования пользователей
Статья научная
В этом исследовании рассматривается зависимость ключевых слов и задержка в рекомендациях книг с помощью гибридной модели, объединяющей совместную фильтрацию с матричной факторизацией. Результаты использованы для построения интеллектуальной системы рекомендаций книг (центра рекомендаций) с веб-интерфейсом. Традиционные библиотечные рекомендательные системы в основном полагаются на активный поиск пользователями названий произведений. Их ограниченность заключается в том, что при вводе ключевых слов возникает большое количество подходящих названий. Когда читатели указывают свои предпочтения в чтении, система может формировать рекомендации на основе этих пожеланий, сочетая их с существующей классификацией книг и предыдущими читательскими предпочтениями пользователя. В нашем исследовании для дальнейшего повышения точности рекомендаций система рекомендаций посредством вычисления схожести решает проблему профессиональных когнитивных ограничений, с которыми сталкиваются пользователи при выборе. Кроме того, в систему рекомендаций добавляется модуль поиска пользователей для обеспечения точных рекомендаций. При формировании рекомендательного элемента для пользователя система рекомендаций сначала выполняет поиск в смежных предложениях, затем вычисляет схожесть между целевым пользователем и смежным пользователем и использует значение схожести в качестве веса и, наконец, на основе ранее рассчитанного значения схожести выполняет взвешенное усреднение различий всех оценок. Алгоритм кластеризации с временным затуханием (λ = 0,85) с использованием данных из нескольких источников достигает увеличения на 41 % сходства пользователей, на 35 % увеличивается обнаружение новых книг, заинтересовавших пользователя. Тестирование демонстрирует увеличение точности на 27 % при 3300 одновременных запросах (отклик 5 с/300 мс).
Бесплатно
Статья научная
Развитие беспилотных авиационных систем становится одним из ключевых направлений научно-технологического развития России. В рамках утверждённой стратегии до 2030 г. планируется формирование новой отрасли экономики, специализирующейся на создании и использовании гражданских беспилотников, определены приоритетные направления развития беспилотных технологий. Большой потенциал применения бесплотных аппаратов наблюдается в создании геопространственных баз данных. В связи с этим, при использовании автономных авиационных платформ для аэрогеофизических работ приобретают актуальность вопросы совершенствования и развития информационно-измерительных систем, применяемых на таких носителях, а также вопросы подготовки операторов систем аэрогеофизического назначения. Важное значение приобретает разработка алгоритмического и программного обеспечения информационно-измерительных систем на основе внедрения ранее уже созданного электронного контента: справочных материалов, инструкций по работе, эксплуатации приборной продукции, протоколов обработки получаемых результатов, методики принятия решений и др. Однако применение такого электронного контента несет риски снижения качества съемочных работ. Одним из способов оценки рисков является совмещение традиционного качественно-категорийного подхода современного риск-менеджмента с многоуровневой репрезентацией иерархии агрегирования экспертно-оцениваемых рисков в составе сводных и интегрального рисков путем применения аппарата мягких вычислений. Для систематизации и приоритезации рисков предлагается использование шкал градуирования и терм лингвистических переменных составляющих рисков, связанных с вероятностью возникновения снижения качества контента информационного обеспечения систем подготовки операторов, с потенциальной величиной возможного ущерба при возникновении факта снижения качества информационного обеспечения. В результате становится возможным разработка модели риск-оценки, представляющей собой процедуру специфического построения матриц последствий и вероятностей для отдельных риск-показателей оценки интеграции электронного контента в информационное обеспечение систем подготовки операторов информационно-измерительных систем аэрогеофизического назначения. Данная процедура есть логическая основа для расчета сводных и интегрального значений риск-показателей оценки, а также градуирования уровней риска.
Бесплатно
Приложения теории графов и теории групп в химии, физике
Статья научная
Работа посвящена рассмотрению приложений математики, в частности, теории графов и теории групп в химии и физике. Химия была одной из первых, кто воспринял идеи теории графов. Математическая химия является разделом теоретической химии, в котором изучается применение математики к химическим задачам. Возможность формализации молекул на языке структурной химии с помощью графов позволяет методами теории графов определять число раз-личных изомеров. Основным инструментом в математической химии является математическое моделирование с использованием вычислительной техники. Методы теории графов активно при-меняются в трех областях химии: структурная химия, химическая кинетика, химическая физика полимеров. Теория групп нашла применение во многих областях физики. Теория групп служит для объяснения важнейших характеристик атомных спектров. Теория групп дает возможность единообразного подхода к большому числу задач физики твердого тела. В этих исследованиях активно используются матричные группы и представления унитарных групп. Неприводимые представления групп используются для классификации колебательных и электронных состояний кристалла. Методы теории групп применяются к моделям задач классификации электронных состояний кристалла. В кристаллографии много внимания уделяется приложениям методов теории групп к изучению колебаний атомов, входящих в состав молекулы, относительно их положений равновесия. Результаты могут быть полезны при кодировании информации в сеансах космической связи.
Бесплатно
Применение контурного метода для решения задачи оптимального распределения трафика в сети
Статья научная
Целью настоящей работы является создание способа решения задачи оптимального распределения трафика в сети с помощью контурного метода анализа данных. В первом разделе работы объяснен принцип преобразования любой доступной сети к контурному виду, причем рассмотрен случай как для сетей без потерь, так и для сетей с потерями. Во втором разделе в общем виде показан метод приведения сети в контурном виде к системе нелинейных неравенств, решив которую можно получить некое распределение трафика в системе. В заключительном разделе на примере системы массового обслуживания M/M/1/N показано решение задачи оптимального распределения трафика по критерию минимизации потерь. В качестве исходных данных для задачи выступили матрица инцидентности, интенсивность обслуживания и размерность буфера для каналов связи. Указанный подход по оптимальному распределению трафика позволяет сократить число используемых переменных по сравнению с известными методами на основе беспетельных маршрутов, а также не требует их предварительного поиска, так как они определяются из размерности матрицы инцидентности графа моделируемой сети.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования является создание математической модели технологического процесса изготовления неразъемных соединений разнородных материалов на основе электронно-лучевой сварки с использованием алгоритмов машинного обучения. Каждый из соединяемых элементов представляет собой ответственный узел комплексного устройства, в связи с чем выставляются жесткие критерии к качеству сварного соединения. В сущности, поставленная задача представляет собой задачу регрессии. Существует множество алгоритмов, подходящих для решения задачи регрессии. Однако зачастую использование одного алгоритма не обеспечивает достаточной точности полученного результата. Одним из способов решения такой проблемы является построение композиции алгоритмов для компенсации проблем каждого из них. Одним из наиболее эффективных и мощных алгоритмов композиции является градиентный бустинг. Использование данного алгоритма повысит качество модели регрессии. Предлагаемая модель позволит технологу задавать параметры технологического процесса и получать оценку качества конечного изделия равно как по заданию входных, так и выходных величин. Использование методов оценки и прогнозирование снизит временные и трудовые затраты на поиск, отработку и наладку технологического процесса. Приводится описание алгоритма градиентного бустинга, а также анализ применимости данного алгоритма к модели, равно как и заключение касательно областей его применимости и достоверности прогнозов, получаемых при его использовании. Кроме того, рассматривается процесс непосредственного обучения модели на основе данных, полученных в рамках проведения поисковых экспериментов для улучшения качества конечного изделия. Результаты анализа применимости позволяют судить о допустимости использования предложенного метода для процессов, имеющих схожие статистические зависимости. Применение предложенного подхода позволит осуществить поддержку принятия технологических решений специалистов по электронно-лучевой сварке при отработке технологического процесса и при вводе в производство новых видов продукции. (Русскоязычная версия представлена по адресу https://vestnik.sibsau.ru/articles/?id=677)
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается применение методов кластерного анализа для повышения эффективности генетических алгоритмов при решении задач глобальной оптимизации много-мерных функций, актуальных в ракетно-космической отрасли. Предмет исследования – динамическая коррекция области поиска генетического алгоритма (ГА) на основе статистической фильтрации кластеров индивидов. Тема исследования включает разработку метода динамической коррекции областей интереса по переменным задачи путём разделения популяции на группы с помощью алгоритмов кластеризации (с заранее определенным количеством, а также динамически определяемым количеством кластеров), вычисления для каждой группы показателей численности и средней функции пригодности и отсечения кластеров, не вносящих значимого вклада в эволюционный процесс. Целью исследования является повышение скорости сходимости алгоритма без снижения качества результатов при решении задач смешанной оптимизации за счет эффективной адаптации области поиска на каждом шаге алгоритма. Эксперименты на тестовых функциях показали повышение скорости сходимости в среднем на 25–30 % по сравнению со стандартным алгоритмом. Полученные результаты демонстрируют возможность интеграции разработанного подхода в программно-аппаратные комплексы для автоматизированного проектирования ракетно-космических систем, что позволит снизить время расчётов и повысить точность выбора оптимальных параметров. Также предложенный подход может быть использован для выбора эффективных значений гиперпараметров широкого спектра моделей машинного обучения, в частности, архитектурного синтеза искусственных нейронных сетей, различных топологий, включая глубокие нейронные сети и специализированные архитектуры.
Бесплатно
Статья научная
Безопасность внутренней сети является важным аспектом успешного предприятия. Существуют различные средства для предотвращения киберугроз и анализа посещаемых интернет-ресурсов, но их быстродействие и возможность применения сильно зависит от объема входных данных. В статье рассматриваются существующие методы определения сетевых угроз с помощью анализа журналов прокси-сервера и предлагается метод кластеризации интернет-ресурсов, направленный на снижение объема входных данных путем исключения групп безопасных интернет-ресурсов или выбором только подозрительных интернет-ресурсов. Предложенный метод состоит из 3-х этапов: предобработка данных, анализ данных и интерпретация полученных результатов. Исходными данными для него являются записи журнала прокси-сервера. На первом этапе из исходных данных выбираются полезные для анализа данные, после чего непрерывный поток данных делится на небольшие сессии при помощи метода ядерной оценки плотности. На втором этапе выполняется мягкая кластеризация посещенных интернет-ресурсов путем применения метода тематического моделирования. Результатом второго этапа являются неразмеченные группы интернет-ресурсов. На третьем этапе, с помощью эксперта, происходит интерпретация полученных результатов путем анализа наиболее популярных интернет-ресурсов в каждой группе. Метод имеет множество настроек на каждом этапе, что позволяет сконфигурировать его под любой формат и специфику входных данных. Его область применения никак не ограничивается. Полученный метод может быть использован в качестве дополнительного шага предобработки с целью снижения количества входных данных.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается задача восстановления пропущенных данных при решении навигационной задачи с использованием спутниковых навигационных систем. В рамках исследования была выявлена корреляционная связь между изменениями псевдодальностей (расстояние от объекта до навигационного спутника, вычисленное с учетом погрешности шкалы времени потребителя). Иначе говоря, изменение расстояния между приёмником и одним спутником взаимосвязано с изменением расстояния между приёмником и другим спутником. На основе обнаруженной зависимости была сформирована гипотеза того, что приращение псевдодальности относительно предшествующего момента времени на коротком временном отрезке изменяется линейно. Для подтверждения этой гипотезы был построен график, который её подтвердил. Предложен непараметрический алгоритм восстановления пропущенных данных на основании этой гипотезы. В рамках исследования в измерения псевдодальностей были внесены случайные пропуски. Цель внесения пропусков – симулировать условия, в которых навигационный приемник теряет сигнал от некоторых навигационных спутников (например, в связи с высокой плотностью застройки). После внесения пропусков был применён разработанный алгоритм для восстановления пропущенных значений. Результаты продемонстрировали, что различие меду реальными и восстановленными значениями псевдодальностей не превышало более одного процента. Это позволяет подтвердить эффективность разработанного алгоритма в решении навигационной задачи для условий потери сигнала от спутников.
Бесплатно
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
Статья научная
В ракетно-космической отрасли часто приходится сталкиваться со сложными задачами черного ящика, для решения которых можно использовать нейронные сети. Данный подход сталкивается с проблемой подбора оптимальной архитектуры нейронной сети. Если создать слишком большую сеть, потратив большое количество вычислительных ресурсов на ее обучение, то для получения результатов потребуется большое количество времени или более мощные процессоры, что не всегда целесообразно. Намного лучше спроектировать небольшую нейронную сеть, которая справится с задачей. Решением данной проблемы занимается направление neural evolution, где эволюционные алгоритмы автоматически проектируют структуру нейронной сети на основе естественного отбора. Одним из таких алгоритмов является алгоритм генетического программирования, который строит функции в виде дерева и преобразует их в нейронную сеть. Деревья содержат функциональные узлы с различными операторами. Однако в стандартном представлении для кодирования нейронной сети используются только два оператора, которые позволяют либо добавлять скрытые слои, либо увеличивать количество нейронов в слое. Эти операторы не поддерживают создание рекуррентных связей, которые могли бы увеличить разнообразие решений и повысить качество моделей. В данном исследовании предложен новый унарный функциональный оператор, создающий рекуррентные связи на основе анализа нейронов скрытого слоя. Эффективность предложенного подхода исследована на некоторых задач из Feynman Symbolic Regression Database и результаты сравнены с предыдущими версиями алгоритма. В результате проведенного исследования были получены следующие результаты: алгоритм в среднем решал задачи хуже, чем прошлые версии, однако в некоторых прогонах находил лучшие решения поставленной задачи. О низкой средней эффективности предложенного подхода создания рекуррентных связей было выдвинуто несколько гипотез, направленных на возможное улучшение алгоритма.
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
Статья научная
Актуальность задачи кластеризации обусловлена необходимостью обработки возрастающих объемов данных со сложной внутренней структурой в различных предметных областях: от анализа биологической информации до контроля качества в высокотехнологичных производствах. Для рассматриваемого класса задач контроля качества электронной компонентной базы характерны априорная неопределенность числа технологических партий, неоднородная локальная плотность, эллипсоидная и нелинейная форма кластеров, частичное пересечение областей признакового пространства и наличие распределённого шума. В этих условиях ограничения традиционных подходов проявляются по-разному: для центроидных и спектральных методов обычно требуется задание или дополнительная оценка числа кластеров, для иерархических методов – выбор правила отсечения дендрограммы, для плотностных методов – подбор параметров окрестности, а для вероятностных методов – соответствие данных принятой параметрической модели. Целью настоящего исследования является разработка и анализ метода адаптивной многомодельной кластеризации, ориентированного на выделение структурных компонент в данных с неизвестным числом кластеров, неоднородной локальной плотностью, нелинейной формой отдельных кластеров и наличием распределённого шума. Метод решения задачи основан на комбинации мультимасштабного анализа локальной плотности, исследования локальной геометрии с помощью главных компонент, построения адаптивной метрики сходства, автоматического определения числа кластеров по спектру лапласиана графа и ансамблевой кластеризации с последующей пост-обработкой шумовых объектов. Ключевая идея заключается в адаптивном переключении между различными моделями описания данных в зависимости от их локальных свойств. Результаты вычислительного эксперимента на модельных данных, имитирующих параметры электронной компонентной базы аэрокосмического применения, демонстрируют существенное превосходство предложенного метода над классическим EM-алгоритмом для смесей гауссовских распределений: значение скорректированного индекса Рэнда повысилось на 30,6 %, доля правильно обнаруженных шумовых объектов увеличилась с 4 до 53 %. При этом предложенным методом во всех запусках эксперимента автоматически определено корректное число кластеров, совпадающее с количеством модельных технологических партий. Показано, что выигрыш предложенного метода обусловлен более корректной обработкой пограничных наблюдений и распределённого шума, не образующего собственной компактной компоненты. В отличие от GMM, предложенный подход сохраняет границы между регулярными кластерами без их искусственного расширения за счёт аномальных объектов. Предложенный метод может быть рекомендован для решения задач кластеризации в условиях априорной неопределенности относительно структуры данных и наличия шума.
Бесплатно
