Известия ЮФУ. Технические науки. IZVESTIYA SFedU. ENGINEERING SCIENCES

КЛАССИФИКАЦИИ ПОЖАРООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ СЕТИ КОЛМОГОРОВА-АРНОЛЬДА

Сингх Санни, А. В. Прибыльский — Sun, 19 Jan 2025 12:01:53 +0300

Проблема своевременного и точного обнаружения пожароопасных ситуаций является кри-
тически важной для обеспечения безопасности людей и сохранения имущества. Традиционные
методы мониторинга, основанные на простых пороговых значениях для датчиков дыма и темпе-
ратуры, часто недостаточно эффективны, так как могут приводить к ложным срабатываниям
или пропуску реальных пожароопасных ситуаций. Современные методы, использующие нейронные
сети, позволяют значительно повысить точность классификации нештатной ситуации за счет
анализа комплексных паттернов в данных с датчиков, представляющих из себя сложные нелиней-
ные функции с динамически изменяющимися параметрами. Разработка таких моделей требует
внимания к сбору, разметке и обработке данных, к выбору архитектуры нейронной сети для кон-
кретной задачи, потому как качественная разметка данных и выбор желаемой архитектуры ней-
ронной сети, напрямую влияет на выделение искомых паттернов, а также нахождение скрытых
паттернов, которые невозможно или затруднительно определить традиционными методами.
В статье исследуется алгоритм классификации пожароопасных ситуаций, основанный на сети
Колмогорова-Арнольда (KAN). Данный алгоритм применяется для обработки данных с комплекса
взаимосвязанных пожарных датчиков и предназначен для обнаружения и классификации различ-
ных типов пожароопасных ситуации. Ключевым элементом разработки является использование
сети Колмогорова-Арнольда, которая благодаря своей архитектуре способна моделировать
сложные функциональные зависимости между входными данными. В качестве входных данных
используются показания с комплекса взаимосвязанных пожарных датчиков, таких как датчики
температуры, дыма. Для повышения точности классификации проводится разметка данных с
использованием экспертных знаний. Для реализации алгоритма использовался язык программиро-
вания Python, совместно с библиотеками Pytorch, pykan, scikit-learn. В статье приводятся резуль-
таты тестирования модели на реальных данных и обсуждаются возможные направления для
дальнейшего улучшения алгоритма. В ходе экспериментов было показано, что предложенная мо-
дель демонстрирует высокую точность классификации пожароопасных ситуаций, которая не
уступает традиционным методам классификации данных.

ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТРЕХМЕРНОЙ УПАКОВКИ ПРИ МОРСКИХ ГРУЗОПЕРЕВОЗКАХ

В. В. Курейчик , Ю.В. Балясова , В.В. Бова — Sun, 19 Jan 2025 12:10:26 +0300

Описана проблема трёхмерной упаковки товаров в различные типы контейнеров при
осуществлении морских грузоперевозок. Морские грузоперевозки играют значительную роль в
международной торговле, реализуются в специфичных и нестандартных условиях, характ е-
ризуются усиленной влажностью, контактом с морской солью, вибрацией, интерференцией
температур и осуществляются посредством судов контейнеровозов, транспортирующих
различные категории товаров в контейнерах, подбираемых с учётом специфики перевозимого
груза, что обеспечивает надёжность и безопасность. Особую важность приобретает пр и-
сутствие защиты товара от многообразных негативных и техногенных факторов окр у-
жающей среды, что подтверждает немаловажность правильно разработанной морской уп а-
ковки груза, обеспечивающей сохранение товара, оборудования, сырья, либо материалов на
всём времени транспортировки по морю, а также надёжного крепления на палубе, либо внутри грузовых отсеков, исключая возможности повреждений груза, посредством воздейс т-
вия вибрационных и статических нагрузок. В статье описана задача трёхмерной упаковки в
контейнеры при морских грузоперевозках. Рассмотрены критерии и ограничения, построена
модифицированная комбинированная многокритериальная целевая функция. Ее значение
должно стремится к 1, что соответствует 100% заполнению пустот. Также, в работе про-
ведён краткий обзор и анализ методов и алгоритмов поиска решения задачи трёхмерной уп а-
ковки, выявлены их особенности, достоинства и недостатки. С учётом проведённого анализа
отмечено, что метаэвристические методы и алгоритмы поиска эффективны для решения
NP-сложной задачи трёхмерной упаковки так, как позволяют получать наборы квазиопти-
мальных решений за полиноминальное время.

АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ МАРШРУТА РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ПРИМЕНЕНИЕМ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Е. А. Назаров , М. Е. Данилин , Е. Ю. Косенко — Sun, 19 Jan 2025 12:18:53 +0300

В статье рассматривается математическое обоснование алгоритма построения маршру-
та для обеспечения движения мобильного робототехнического комплекса (РТК) в процессе следо-
вания за оператором при решении задач автономного управления с использованием технологий
искусственного интеллекта (ИИ). Представлен подход к реализации задачи обеспечения автоном-
ности следования мобильного РТК за оператором по принципцу «следуй за мной». В качестве ос-
новного метода выбран метод погони, обеспечивающий следование РТК за ведущим оператором
на заданном расстоянии. Моделирование движения РТК вслед за оператором осуществляется в
сопровождающей системе координат для более корректного описания движения материальной
точки по криволинейной траектории. В качестве исходных данных используются два динамиче-
ских массива чисел, включающих в себя информацию о расстоянии от видеокамеры РТК до веду-
щего оператора и о величине курсового угла между продольной осью комплекса и линией визирова-
ния. Построение маршрута осуществляется с запозданием, после того как ведущий оператор
условно сделал один шаг в направлении от робота. Введение нечеткости в процесс управления
подразумевает оценивание воздействий и реакций совокупностью термов, которые сопоставля-
ются с некоторой степенью уверенности с определенными интервалам каких-либо физических
величин. На основе предлагаемого подхода разработан алгоритм, который реализован в про-
граммной среде Python c использованием библиотеки встроенных функций для работы с аппара-
том нечеткой логики Skfuzzy. Для оценивания точности реализации целевой функции проведеноимитационное моделирование. Анализ полученных результатов позволил выявить основные преимущества применения нечеткой логики для решения задач автоматизации по сравнению с тра-
диционными подходами теории автоматического управления.

МЕТОД ГЕНЕТИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОПЕРАТИВНО-КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

К. О. Обухов , И. Ю. Квятковская , А. В. Морозов — Sun, 19 Jan 2025 12:26:48 +0300

Одним из основных условий успешного функционирования предприятия является грамотно
организованный процесс производственного планирования. Автоматизировать эту деятельность
позволяют системы производственного планирования класса APS/MES, основой которых являют-
ся алгоритмы построения производственных планов. В работе исследуется проблема составления
расписания для предприятий дискретного типа производства, относящаяся к области задач мно-
гокритериальной оптимизации. Приведено формальное описание задачи планирования с учетом
основных производственных ограничений (временные ограничения, требования к оснастке и по-
рядку выполнения операций). Кратко рассмотрены основные методы решения задач данного
класса, отмечены их основные достоинства и недостатки. Для решения поставленной задачи
выбран подход на основе генерации эвристических правил, применяемых при планировании произ-
водственных операций на заданные ресурсы. На основе данного подхода предложен двухэтапный
алгоритм построения производственных расписаний, включающий в себя генерацию правил дис-
петчеризации и их дальнейшее применение при построении расписания. За генерацию правил дис-
петчеризации отвечает генетический алгоритм. Подробно описана реализация его генетических
операторов, а также состав хромосомы и древовидное представление входящих в хромосому пра-
вил диспетчеризации. Реализация алгоритма выполнена на языке C# 12 с использованием свобод-
ной платформы .NET 8. Построенный алгоритм показал свою эффективность по сравнению с
жадным алгоритмом на небольших сгенерированных наборах данных. Дальнейшими исследова-
ниями в этой области является оценка эффективности построенного алгоритма с более слож-
ными генетическими операторами и структурой дерева выражений, а также снижение длитель-
ности процесса генерации эвристических правил для больших наборов данных.

МЕТОД И АЛГОРИТМ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ИЗ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ НА БАЗЕ НЕЙРОСЕТЕЙ ТРАНСФОРМЕР

З.А. Понимаш , М. В. Потанин — Sun, 19 Jan 2025 12:34:37 +0300

В последнее время нейросетевые модели стали одним из наиболее перспективных направле-
ний в области автоматического извлечения признаков из цифровых сигналов. Традиционные под-
ходы, такие как статистический, временной, частотный и частотно-временной анализ, требуют
значительных экспертных знаний и часто оказываются недостаточно эффективными при рабо-
те с нестационарными и сложными сигналами, например, биомедицинскими (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ) или
промышленными сигналами (примером могут служить токограмы). Перечисленные выше методы
имеют ряд ограничений, когда требуется анализировать многоканальные данные с изменяющейся
частотной структурой, либо когда разметка сигналов слишком трудоёмка или дорогостоящая.
Современные архитектуры нейросетей, такие как трансформеры, показали высокую эффектив-
ность в автоматическом извлечении признаков из сложных данных. Трансформеры превзошли
традиционные свёрточные и рекуррентные нейронные сети по многим ключевым характеристикам, особенно в задачах прогнозирования временных рядов, классификации мультимодальных данных
и извлечения признаков из последовательностей. Их способность моделировать сложные временные
зависимости и нелинейные зависимости в данных делает их идеальными для таких задач, как
фильтрация шумов и обработка мультимодальных сигналов. В данной статье предложен метод
извлечения признаков из цифровых сигналов, основанный на модифицированной архитектуре транс-
формера, включающей нелинейный слой после модуля самовнимания. Этот подход позволил улуч-
шить способность модели выявлять сложные и нелинейные зависимости в данных, что особенно
важно при работе с биомедицинскими и полученных от промышленных систем сигналов. Приводит-
ся описание архитектуры и проведенных экспериментов, демонстрирующих высокие показатели
модели при решении задач классификации, прогнозирования и фильтрации сигналов. Ожидается,
что данная модель может применяться для широкого спектра приложений, включая диагностику
заболеваний и сбоев, прогнозирование параметров сигналов и системное моделирование.

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЁРТОЧНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Sun, 19 Jan 2025 12:49:44 +0300

Задача восстановления утраченных фрагментов монументальной живописи является акту-
альной в контексте сохранения объектов культурного наследия. Современные технологии искус-
ственного интеллекта, включая свёрточные нейронные сети (СНС), значительно расширяют
возможности реставрации, позволяя автоматизировать сложные процессы восстановления изо-
бражений. В частности восстановление утраченных элементов фресок требует точных инстру-
ментов анализа, которые могут предсказать недостающие фрагменты с минимальными ошиб-
ками, сохраняя художественный стиль оригинала. Целью данного исследования является разра-
ботка методики автоматизированного восстановления утраченных фрагментов изображений
монументальной живописи с использованием СНС (на примере фресок). Обозначенная цель дос-
тигнута путём решения следующих задач: получение изображений фресок с использованием со-
ответствующих методологических и технических средств, применение архитектуры U-Net для
сегментации и реконструкции изображений, прогнозирование утраченных участков на основе
анализа цветовых характеристик. Метод фотограмметрии и спроектированное приспособление,
которые были использованы для осуществления многоракурсной съёмки, обеспечили получение
высококачественных исходных данных для последующей обработки. Адаптация архитектуры
U-Net применительно к задаче сегментации изображений доказала свою эффективность при вы-
делении ключевых структурных элементов фресок, что поспособствовало точной реконструкции
утраченных областей. Для прогнозирования утраченных участков проводился анализ цветовых
характеристик в системе HSL, что позволило СНС предсказывать недостающие цвета с высокой
степенью точности. Краткие выводы исследования показывают, что предложенная методика
позволяет восстановить как форму, так и цвет утраченных фрагментов фресок. Предложенную
методику планируется использовать для реставрации произведений искусства других типов, что
делает её перспективной для дальнейших исследований

АЛГОРИТМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННОГО РЕФЛЕКТОРА ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

К.М. Занин — Sun, 19 Jan 2025 12:55:06 +0300

При построении комплексов спутниковой связи, размещаемых на борту спутников-
ретрансляторов, требуется обеспечение заданного ее качества в пределах установленной зоны
обслуживания на поверхности Земли. Рабочая область в таких задачах может иметь сложную
форму границы. Для покрытия заданной территории применяют бортовые антенные системы
(АС), которые реализуют контурную диаграмму направленности (ДН), так как качество связи
напрямую связано с параметрами главного лепестка ДН. Формируемая ДН должна учитывать
данный фактор, и, как следствие, главный ее лепесток должен быть максимально приближен по
форме к контуру границы обслуживаемой территории. Одним из возможных вариантов построе-
ния АС с контурной ДН является использование зеркальной антенны (ЗА) с одиночным облучате-
лем и рефлектором с профилированной поверхностью, закон профилирования которой определя-
ется формой границы обслуживаемой территории. Необходимость моделирования и анализа
ожидаемых параметров ДН таких антенн требует представления профилированного рефлекто-
ра в виде объемной модели, которая используется в качестве исходных данных для пакетов элек-
тродинамического моделирования. Построение объемной модели заключается в представлении
результатов решения уравнения, описывающего форму рефлектора, в поверхность без разрывов,
на которой могут быть заданы граничные условия в используемых программных пакетах. Прове-
денный анализ информации, доступной из открытых источников, показал, что в литературе не-
достаточно подробно рассмотрены вопросы синтеза объемных фигур с учетом особенностей
проектирования ЗА. Целью работы являлось построение объемной модели профилированного реф-
лектора в задачах электродинамического моделирования с учетом особенностей построения ЗА.
Для достижения поставленной цели решена задача разработки соответствующего алгоритма.
В ходе проведенных исследований разработан алгоритм представления профилированного рефлектора ЗА, позволяющий построить соответствующую объемную модель, которая может
быть использована в задачах электродинамического моделирования. Представленный алгоритм
преобразует результаты решения уравнения, содержащего информацию о форме рефлектора, в
поверхность без разрывов, на которой могут быть заданы граничные условия.

МЕТОД ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОПРИВЯЗКИ

Е. В. Лищенко , Э.В. Мельник , А.С. Матвиенко , А.Ю. Будко — Sun, 19 Jan 2025 13:04:51 +0300

Рассмотрена проблема, связанная с определением текущих координат подвижного объекта
в условиях нестабильного сигнала от глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).
Актуальность работы обусловлена тем, что в последние годы подвижные объекты находят все
более широкое применение практически во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства,
на транспорте, решая разнообразные задачи наблюдения, разведки, мониторинга состояния кон-
тролируемых объектов, проведение поисково-спасательных операций, доставки грузов и много
другое. При этом успешность выполнения заданий во многом зависит от того, насколько точно и
эффективно работает его бортовая навигационная система в режиме реального времени. Суще-
ствующие решения бортовых систем позиционирования предполагают использование инерциаль-
ных и глобальных навигационных спутниковых систем. Для первого типа характерно наличие эф-
фекта дрейфа ввиду использования гироскопов и акселерометров. Для систем, использующих дан-
ные от ГСП сложности связаны с частичной или полной потерей сигнала. В настоящей работе
описан метод сохранения заданной точности пространственного позиционирования подвижного
объекта в условиях частичного или полного отсутствия данных от ГСП объекта. Данный метод
основан на комбинации алгоритмов компьютерного зрения обработки кадров видеопотока от
бортовой системы технического зрения (СТЗ) подвижного объекта, с целью обеспечения точно-
сти позиционирования в условиях частичного или полного отсутствия данных от спутниковых
систем навигации. На основании передоложенного метода разработан алгоритм, предназначен-
ный для автоматизированного определения координат подвижного объекта в условиях отсутст-
вия данных привязки к карте местности от глобальных систем позиционирования (ГСП). Прове-
дены эксперименты, которые подтвердили эффективность работы алгоритма в части сокраще-
ния временных затрат на описание и сопоставление ключевых точек и повышения точности со-
поставления изображения. С использованием разработанного алгоритма была решена задача
сопоставления спутниковых снимков, которая является важным этапом задачи позиционирова-
ния подвижного объекта без использования данных глобальной геопривязки.

СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЕЛЬТА-РОБОТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В. В. Соловьев , А. Я. Номерчук , Р.К. Филатов — Sun, 19 Jan 2025 13:12:47 +0300

Целью данной работы является разработка системы планирования траекторий перемеще-
ния дельта-робота для прополки сорняков. Дельта-робот устанавливается на мобильной плат-
форме, которая перемещается в междурядьях культурных растений. Система технического зре-
ния обнаруживает сорняки и определяет их координаты. Требуется планировать траекторию
движения схвата при прополке сорняков без повреждения самого робота и культурных растений.
Данное исследование является актуальным из-за увеличения численности населения, уменьшения
пахотных площадей, естественного оттока населения из сельской местности и снижения количе-
ства сельскохозяйственной техники. Для достижения поставленной цели в работе представлено
решение прямой и обратной задачи кинематики дельта-робота аналитическим методом. Пред-
ложена модель определения конструктивных параметров дельта-робота, позволяющая оценить
степень влияния конструктивных параметров на его рабочую область. Определены длины рыча-
гов дельта-робота, соответствующие поставленной задаче для прополки сорняков на кукурузных
полях. Решена задача планирования траекторий путем декомпозиции на движение схвата в гори-
зонтальной плоскости и движение по вертикали, с учетом размера комков земли и величины из-
влечения сорняка почвы. По результатам экспериментальных исследований показана возмож-
ность существенного уменьшения количества точек траектории движения схвата, что снижает
вычислительную сложность предложенных методов и упрощает их реализацию в бортовом вы-
числителе робота.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

А. А. Богнюков , Д. Ю. Зорькин , Е. Г. Шведов — Sun, 19 Jan 2025 13:21:53 +0300

Основное внимание уделяется системам автоматизации, применяемым в автосалонах для
продажи и ремонта автомобилей. Это требует учета не только существующих процессов, но и
их оптимизации с использованием современных технологий, что усложняет анализ таких систем.
Внедрение подобных решений может привести к созданию более эффективных моделей, соответ-
ствующих реальным условиям работы автосалонов. Понимание ключевых концепций автоматиза-
ции помогает не только структурировать исследование, но и определить направления для даль-
нейшего развития. Изучение существующих моделей и систем позволяет выявить лучшие практи-
ки и возможные недостатки. Сравнительный анализ помогает не только адаптировать прове-
ренные решения к новым условиям, но и избежать ошибок, допущенных в предыдущих исследова-
ниях. Системный анализ и моделирование систем массового обслуживания представляют собой
ключевые аспекты в управлении и оптимизации бизнес-процессов, включая такие сложные облас-
ти, как автоматизация процесса продаж и ремонта автомобилей. В современном мире высоких
технологий, где конкуренция на рынке товаров и услуг постоянно растет, применение системного
анализа позволяет предприятиям находить эффективные решения для улучшения своих операций.
Системы массового обслуживания (далее СМО) являются центральным элементом в различных
отраслях экономики, включая автосалоны и сервисные центры. Они направлены на оптимизацию
потоков клиентов и ресурсов с целью повышения качества обслуживания и минимизации времени
ожидания. Основная задача системного анализа в данном контексте заключается в изучении
структуры, поведения и взаимодействия компонент системы для выявления слабых мест и поиска
оптимальных стратегий их преодоления. Для автоматизации работы автосалона была выбрана
предметная область, включающая ключевые элементы: персонал, клиенты, автомобили, услуги и
договора. Эти элементы взаимосвязаны и образуют основу для проектируемой базы данных. Ка-
ждый из элементов имеет свою сущность, а их взаимодействие через договоры становится осно-
вой для разработки реляционной базы данных

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ НА ГИДРОЛИТОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

М. А. Георгиева , И. М. Першин — Sun, 19 Jan 2025 13:27:22 +0300

Данная статья посвящена исследованию влияния атмосферных осадков на гидролитосферные
процессы с использованием математического моделирования. Гидролитосферные процессы включают
взаимодействие между водой, атмосферой и земной корой, играя важную роль в формировании ланд-
шафта, круговороте воды и климате Земли. Используя исторические данные об осадках и гидролито-
сферных процессах, авторы калибруют и проверяют свою модель. Результаты показывают, что мо-
дель может точно предсказывать изменения в стоке воды, эрозии почвы и качестве воды в ответ на
изменения в режиме осадков. В работе представлена разработка и применение математических моде-
лей для изучения влияния осадков на формирование стока, эрозию почвы, изменение уровня грунтовых
вод, а также на геоморфологические процессы, происходящие в гидролитосфере. В статье анализиру-
ются различные типы моделей, включая: – модели поверхностного стока, которые описывают форми-
рование и движение стока по поверхности земли; – модели эрозии почвы, которые предсказывают
интенсивность эрозионных процессов, обусловленных воздействием атмосферных осадков; – модели
грунтовых вод, которые изучают влияние осадков на уровень грунтовых вод и их движение в подзем-
ных горизонтах; – модели геоморфологических процессов, которые исследуют влияние осадков на фор-
мирование рельефа, образование оврагов, склонов и других геоморфологических элементов. Были рас-
смотрены и изучены проблемы валидации и калибровки моделей, а также факторы неопределенности,
связанные с вариабельностью атмосферных осадков. Результаты исследования позволяют лучше по-
нять взаимодействие атмосферных осадков с гидролитосферой и представить возможности исполь-
зования математического моделирования для прогнозирования гидролитосферных процессов и разра-
ботки стратегий управления водными ресурсами. Статья имеет важное значение для понимания и
управления гидролитосферными процессами в условиях изменяющегося климата. Математическая
модель, разработанная в статье, может быть использована для оценки потенциальных последствий
изменения количества и характера осадков, а также для разработки стратегий адаптации для смяг-
чения этих последствий.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЦИАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ ГРАФОВЫХ ПОДХОДОВ

Е. Р. Зяблова — Sun, 19 Jan 2025 13:32:02 +0300

Предложен подход к моделированию социальных взаимодействий в организационных систе-
мах, который состоит из несколько этапов: получение данных о пользователях системы, напри-
мер при помощи парсинга сети; формирование GH-модели системы на основе нечетких графов с
разнотипными вершинами и множественными разнотипными связями; вычисление графовых ха-
рактеристик с учетом определенного типа связи; использование значений графовых характери-
стик для анализа системы с учетом заложенной смысловой нагрузки. Обоснована целесообраз-
ность использования GH-графа для исследования социальных отношений в организационных сис-
темах, так как он обладает рядом преимуществ. GH-граф позволяет задать все необходимые
разнотипные отношения и при этом уменьшить время анализа системы в 1,9 раз за счет исполь-
зования множественных связей в виде вектора, позволяющих объединить несколько разнотипных
связей. Модификация модели заключается в использовании разнотипных вершин. Тип вершин в
графе определяется через вычисление их характеристик. В работе показан процесс формирования
графовой модели подсистемы и вычисления ее характеристик. Показаны результаты вычисления
степеней вершин, их центральности по степеням. Для вычисления метрических характеристик
графовой модели использован модифицированный алгоритм поиска кратчайших путей в GH-
графе, разработанный ранее. Особенностью данного алгоритма является возможность использо-
вать фильтры по типу вершин и связей. Получены численные показатели радиуса и диаметра
графа, определены группы центральных и периферийных вершин, вычислены центральности вер-
шин по близости с учетом выбранных типов связей для исследования разнотипных отношений в
системе. Анализ подсистемы выполнен на примере решения двух практических задач. Среди поль-
зователей сети выявлены группы сотрудников предприятия, определены их возможные статусы и
коммуникативные активности. Под статусом пользователя понимается принадлежность к груп-
пам руководителей разного уровня, группе рядовых сотрудников предприятия. Предложено реше-
ние задачи выявления пользователей (групп пользователей), наиболее подходящих для распростра-
нения (или, наоборот, нераспространения) информации в сети.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ СХОДСТВА ОСТАВШЕГОСЯ ПОЛЕЗНОГО СРОКА СЛУЖБЫ

Ю.А. Кораблев — Sun, 19 Jan 2025 13:37:18 +0300

В этой статье показано, как построить полный рабочий процесс оценки оставшегося по-
лезного срока службы (Remaining Useful Life - RUL), включая этапы предварительной обработки,
выбора трендовых функций, построения индикатора работоспособности путем объединения
датчиков, обучения оценщиков сходства RUL и проверки эффективности прогнозирования. Тес-
тирование метода проводилось в демонстрационной программе MATLAB, реализующей данныйметод прогнозирования возникновения неисправностей в технических системах
(https://www.mathworks.com/help/predmaint/ug/similarity-based-remaining-useful-life-estimation.html)
на основе данных из "PHM08 Challenge Data Set", NASA Ames Prognostics Data Repository
(http://ti.arc.nasa.gov/project/prognostic-data-repository), NASA Ames Research Center, Moffett Field,
CA. Метод ориентирован на использование обоснованных технических характеристик оценивае-
мого оборудования, достаточно полно освещенных в справочной литературе. Поэтому хорошие
результаты метод дает при оценке оборудования, условия эксплуатации которого, близки к сред-
нестатистическим. В статье используется Predictive Maintenance Toolbox™ системы MATLAB,
который включает в себя несколько специализированных моделей, разработанных для вычисления
RUL из различных типов измеренных системных данных. Эти модели полезны, когда у вас есть
исторические данные и информация, такие как: – истории работы до отказа машин, похожих на
ту, которую необходимо диагностировать. Исторические данные для каждого члена ансамбля
данных подгоняются под модель идентичной структуры; – известное пороговое значение некото-
рого индикатора состояния, указывающего на отказ; – данные о том, сколько времени или сколь-
ко использования потребовалось для выхода из строя похожих машин (срок службы). Модели
оценки RUL предоставляют методы для обучения модели с использованием исторических данных
и их использования для выполнения прогнозирования оставшегося срока службы. Термин срок
службы здесь относится к сроку службы машины, определяемому с точки зрения любой величины,
используемой для измерения срока службы системы. Аналогично, эволюция времени может озна-
чать эволюцию значения с использованием, пройденным расстоянием, количеством циклов или
другой величиной, которая описывает срок службы. Общий рабочий процесс для использования
моделей оценки RUL: – создать и настроить соответствующий объект модели; – обучите модель
оценки с использованием имеющихся исторических данных; – используя тестовые данные того же
типа, что и имеющиеся исторические данные, оценить RUL тестового компонента. Также мож-
но использовать тестовые данные рекурсивно для обновления модели по мере поступления новых
данных, т.е. отслеживать эволюцию прогноза RUL по мере поступления новых данных.

РАЗРАБОТКА СВЕРТОЧНОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЯЖЕСТИ ОСТЕОАРТРИТА КОЛЕННОГО СУСТАВА

Али Сажи Маннаа , Г.В. Муратова — Sun, 19 Jan 2025 13:43:45 +0300

Предлагается метод автоматизированной оценки степени тяжести остеоартрита коленно-
го сустава, основанный на применении современных методов машинного обучения, в частности,
глубокой нейронной сети. Остеоартрит является одним из наиболее распространённых дегенера-
тивных заболеваний суставов, и его своевременная диагностика является критически важной для
эффективного лечения. Традиционные методы визуальной оценки рентгенографических снимков коленного сустава имеют ряд ограничений, таких как субъективность и зависимость от опыта
врача. В связи с этим разработка методов автоматизированного анализа медицинских изображений
становится всё более актуальной. Остеоартрит коленного сустава – одно из самых распростра-
ненных и тяжелых дегенеративных заболеваний, ведущих к значительному снижению качества
жизни пациентов. Традиционные методы диагностики остеоартрита, такие как визуальная оценка
рентгенографических снимков, зависят от субъективного мнения специалиста и его опыта, что
может приводить к вариациям в точности диагностики и своевременности выявления патологии.
Поэтому разработка и внедрение методов автоматизированного анализа медицинских изображений
имеет высокую актуальность и потенциальную клиническую ценность. В ходе данного исследования
была разработана и обучена специализированная нейронная сеть на основе архитектуры ResNet-34,
которая доказала свою высокую эффективность в решении задач компьютерного зрения. Нейронная
сеть была модифицирована для включения двух параллельных ветвей, каждая из которых содержит
спиральную линейную структуру и четыре скрытых слоя, предназначенных для более точного выде-
ления области коленного сустава. Такая архитектура позволила не только идентифицировать об-
ласть интереса с высокой точностью, но и оптимизировать функцию потерь в зависимости от
специфики различных патологий, таких как разная степень поражения суставов, а также скоррек-
тировать влияние классового дисбаланса в данных, что часто становится проблемой при работе с
медицинскими изображениями. Для повышения качества результатов нейронная сеть была обучена
на двух независимых наборах данных, разделённых по половому признаку (мужчины и женщины).
Это позволило улучшить общее качество рентгенографических изображений и снизить влияние
шумов, которые могут возникать вследствие артефактов при радиальной визуализации. В процессе
подготовки данных также была применена техника ImagePixelSpacing, позволяющая уточнять раз-
решение изображений до размеров 256 × 256 пикселей, что способствовало лучшей обработке дета-
лей и структур коленного сустава. Обучение сети проводилось с использованием современных методов
оптимизации, что позволило достичь высокой точности классификации. Для оценки эффективности
предложенной модели использовался тест Каппа, который подтвердил достоверность определения
базовых линий. Средняя точность, достигнутая моделью, составила 9 ,76% на основе результатов
мультиклассового T-теста, что свидетельствует о её высоком потенциале для клинического примене-
ния. Более того, коэффициент AUC (площадь под кривой операционной характеристикой) составил
0,97, что значительно превышает показатели, достигнутые в предыдущих исследованиях в данной
области. Предложенная модель демонстрирует высокую точность и надежность в задаче автомати-
зированной оценки степени тяжести остеоартрита, что может стать значительным шагом вперед
в области диагностики и мониторинга этого заболевания. Кроме этого эти результаты демонстри-
руют потенциал модели как надежного инструмента для автоматизированной оценки степени ос-
теоартрита, способного не только улучшить точность диагностики, но и облегчить работу медицин-
ских специалистов. Дальнейшие исследования могут включать адаптацию модели для анализа других
суставов и интеграцию дополнительных функциональных возможностей, таких как прогнозирование
прогрессирования заболевания на основе последовательных снимков.

О РЕАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО УМНОЖЕНИЯ МАТРИЦ БОЛЬШИХ РАЗМЕРНОСТЕЙ

В. М. Глушань , Л. А. Попов , А.А. Целых — Sun, 19 Jan 2025 13:54:09 +0300

Потребности практики постоянно требуют повышения производительности вычислитель-
ных систем. Достаточно долгое время основным путём построения вычислительных систем
сверхвысокой производительности были многопроцессорные системы. При создании таких сис-
тем возникает много сложных проблем. Они связаны с необходимостью распараллеливания вы-
числительного процесса для эффективной загрузки процессоров системы, преодолением конфлик-
тов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс системы, умень-
шением влияния конфликтов на производительность системы и т.д. С преодолением микроэлек-
троникой рубежа в миллиард транзисторов на кристалле кремния, появилась новая парадигма
многоядерности процессоров. Одновременно с этим возникла проблема соотношения многоядер-
ности и многопоточности в современных вычислителях. Это связано с дилеммой предпочтения
между ними. Многоядерный процессор содержит два и более электронных вычислительных ядра,
размещённых на одном полупроводниковом кристалле. Каждое ядро многоядерного процессора
является полноценным микропроцессором. Многоядерность является очевидным и традиционным
методом распределенного решения многих сложных задач. Но этого нельзя сказать о многопо-
точности, которая опирается на использование очень быстрой кэш-памяти, связанной с основной
памятью и служащей для уменьшения среднего времени доступа к основной памяти процессора.
Относительная новизна современных подходов к построению вычислительных систем требует
сравнительных экспериментальных исследований их возможностей. Перспективным и удобным
математическим объектом для этих целей является распределенное умножение матриц больших
размерностей. В статье приводятся практические результаты распределенного умножения
квадратных матриц с размерами от 300*300 до 2000*2000 и случайно сгенерированными значе-
ниями элементов в матрицах в диапазоне от –100 до +100. Исходя из экспериментальных данных,
представленных в соответствующих таблицах и графиках, получены гиперболические соотноше-
ния для зависимости времени умножения матриц от числа виртуальных машин (ядер) в исполь-
зуемом ноутбуке. Аналогичные результаты получены при умножения квадратных матриц на од-
нопроцессорных компьютерах, подключённых к локальной сети. Аналитические выражения в этом
случае также представляют гиперболические временные зависимости. Но численные значения в
них существенно превосходят таковые для гиперболической формулы, полученной для ноутбука.
Исходя из полученных результатов, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что
использование однопроцессорного вычислителя, подключенного к локальной сети, для умножения
матриц больших размерностей уступает быстродействию ноутбука. Это связано со значитель-
ными затратами времени перемещения данных по локальной сети.

ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГРУППОЙ АВТОНОМНЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ

Б. К. Лебедев , О. Б. Лебедев , М.И. Бесхмельнов — Sun, 19 Jan 2025 14:04:02 +0300

В статье рассматриваются алгоритмы формирования траекторий движения беспилотных
летательных аппаратов (БПЛА) при проведении поисково-спасательных и ликвидационных опера-
ций. Описаны методы и алгоритмы управления движением группы БПЛА в строю, при разверты-
вании в линию, при развертывании в шеренгу, при поворотах, в колонне. Управление осуществля-
ется с помощью альтернативных алгоритмов коллективной адаптации, основанных на идеях кол-
лективного поведения. Рассмотрены принципы функционирования одного автомата адаптации.
Целью управления ведомыми роботами является минимизация отклонений. Для реализации меха-
низма адаптации параметрам вектора сопоставляются автоматы адаптации, моделирующие
поведение объектов адаптации в среде. Разработана структура процесса альтернативной кол-
лективной адаптации параметров, под контролем которых осуществляется движение группы
БПЛА в строю. Разработаны оригинальные правила управления параметрами, обладающие рядом
преимуществ по сравнению с другими методами: полная децентрализация управления в сочетании
с динамической коррекцией параметров роботов, задающих положение и ориентация робота в
абсолютной системе координат, и линейную скорость робота соответственно. Предложена
структура маневра, выполняемого роботом для коррекции отклонений параметров. Управление
осуществляется с помощью алгоритма альтернативной коллективной адаптации, основанного на
идеях коллективного поведения объектов адаптации, что позволяет эффективно обрабатывать
внештатные ситуации, такие как выход агентов из строя, изменения числа агентов вследствие
выхода из строя или внезапного приобретения связи с очередным агентом, а также в условиях
наличия ошибок измерений и шумов, удовлетворяющих определённым ограничениям.

ЗАДАЧА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫБОРА НЕОБОРУДОВАННОГО ВЕРТОДРОМА

П. Г. Ермаков — Sun, 19 Jan 2025 14:08:40 +0300

Рассматривается задача многокритериальной оптимизации выбора того или иного необо-
рудованного вертодрома для осуществления посадки на него беспилотным воздушным судном
(БВС) вертолетного типа. Формализована задача многокритериальной оптимизации выбора вер-
тодрома на основе удовлетворения требований международной организации гражданской авиа-
ции (ИКАО) к необорудованным вертодромам посредством минимизации оригинальной функции
потерь, учитывающей следующую информацию: вероятность пригодности того или иного необо-
рудованного вертодрома, вероятность отказа бортовой системы БВС вертолетного типа, не-
точность определения собственного местоположения воздушного судна, неточность позицион-
ной информации цифровой карты местности и летно-технические характеристики БВС верто-
летного типа. Определение пригодности необорудованного вертодрома по предельной высоте
элементов рельефа его поверхности предложено осуществлять на основе статистической обра-
ботки данных лидарного сканирования подстилающей поверхности земли. Изложены математи-
ческие постановки задачи принятия решения по посадке воздушного судна на неподготовленную
площадку исходя из требований ИКАО к вертодрому по предельной высоте элементов рельефа и
твердости грунта. Проведено сравнение вычислительных затрат алгоритмов выбора того или
иного необорудованного вертодрома с помощью использования одноплатного компьютера Raspberry
Pi 3 Model B. Представлен результат имитационного моделирования разработанного опти-
мального алгоритма выбора необорудованного вертодрома для оценки его работоспособности в
условиях вариабельности параметров вероятностной функции потерь на основе веб-сервиса
OpenStreetMap и цифровой карты местности SRTM. Приведен результат решения задачи приня-
тия решения по посадке БВС вертолетного на необорудованный вертодром на основе проведенно-
го экспериментального лидарного сканирования поверхности земли.

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫМИ ПРИВОДАМИ РОБОТА ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ ПО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

А. А. Хачатрян , Е.С. Брискин — Sun, 19 Jan 2025 14:14:19 +0300

Эксплуатация роботов на вертикальных и близких к ним поверхностях имеет широкие пер-
спективы в силу необходимости выполнения на них достаточно большого количества технологи-
ческих операций с одной стороны и сложности использования ручного труда ‒ с другой стороны.
Рассматривается движение мобильного робота по вертикальной поверхности. Движение робота
и его удержание на поверхности осуществляется посредством работы двух линейных приводов,
оказывающих на него давление, и опирающихся на платформы, способные перемещаться по гори-
зонтальной поверхности. Робот и платформа имеют колеса рояльного типа, работающие в од-
ном из двух режимов ‒ свободном и тормозном. При этом тормозные устройства обеспечивают
надежное сцепление колес с соответствующими поверхностями. Предложена расчетная схема и
математическая модель робототехнической системы, использующей усилие линейных приводов
для перемещения робота по вертикальной ровной поверхности. Решена задача динамики движе-
ния мобильного робота, перемещение которого по рабочей поверхности осуществляется за счет
управления величиной и направлением усилий, развиваемых актуаторами и выбора заторможен-
ных опор, обеспечивающих устойчивый режим движения. Рассмотрен процесс движения, со-
стоящий из трех этапов, на каждом из которых одна из опор робота заторможена, при этом и
все опоры платформ на горизонтальной поверхности также заторможены. При переходе между
этапами движения мобильный робот совершает остановку перед тем, как сменить затормо-
женное колесо, после чего возобновляется движение. Силами трения между расторможенными
опорами робота и рабочей поверхностью пренебрегается. Получены уравнения и траектория
движения центра масс мобильного робота. Представлены зависимости длин линейных приводов
механизма прижатия от координат центра масс робота. Проведено имитационное моделирова-
ние, в результате которого определены диапазоны изменений длин линейных приводов и развивае-
мые усилия, обеспечивающие требуемое перемещение.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОЖНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

С. А. Смирнов , Н. Ю. Паротькин , В. В. Золотарев — Sun, 19 Jan 2025 14:23:42 +0300

Рассматривается вопрос применимости ложных информационных систем и их компонентов в
построении автоматизированной системы развертывания прикладной реализации технологии лож-
ных компонентов и управления ею – для совершенствования системы предупреждения атак. Приво-
дятся основные преимущества технологии и роль в стратегии информационной безопасности, за-
дающие специфику и область практического применения ее средств и инструментов. Рассматрива-
ются основы архитектуры и особенности применения технологии, а также ее ограничения. Указы-
ваются цель и назначение использования современной технологии в разрезе раскрытия ключевых
принципов ее реализации. Кроме того, были проанализированы нормативно-правовые публикации и
иные рекомендации, составляющие лучшие практики в области её использования. Рассмотрены кон-
цепция и архитектура итогового автоматизированного решения в интеграции в информационные
системы и системы защиты, описано функциональное содержание итогового решения. Отличи-
тельной особенностью предлагаемого решения является использование управляемых механизмов
контейнеризации, обеспечивающих широкие возможности по масштабированию решения и изоляции
скомпрометированных компонентов системы в результате действий злоумышленника. Схематиче-
ски отражается сформулированный процесс практического исполнения системы автоматизации в
перспективе подсистем решения и в отношении к зависимым компонентам (предлагаемым доку-
ментам, внешним средствам и системам) и условиям протекания составляющих операций. Также
приводится модель развертывания и функционирования распределенной системы автоматизации в
последовательности: настройка сервера развертывания (включая обеспечение), развертывание сети
ложных компонентов-ловушек на базе контейнеризации, развертывание внешних приманок, инте-
грация с внешними относительно композиции решения системами и инстанциями стека информа-
ционной безопасности. Принцип реализации решения сводятся к следующему: посредством средств управления в инфраструктуре информационных технологий размещаются поддельные
активы и ресурсы ложной среды, цель которых заключается в том, чтобы попасть под воздейст-
вие нарушителя. Развернутый комплекс инструментария подсистем был протестирован при по-
мощи стороннего узла с соответствующим инструментарием и сценариями сканирования. Даны
рекомендации по дальнейшему совершенствованию системы автоматизации развертывания и
управления средств и мер технологии ложных компонент.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ИМЕНОВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ УПРАВЛЕНИЯ УЯЗВИМОСТЯМИ

В. Г. Жуков , С. В. Селигеев — Sun, 19 Jan 2025 14:29:06 +0300

Управление ИТ активами является базисом для построения эффективного процесса управ-
ления уязвимостями. Не имея представления о контролируемых ИТ активах, технически невоз-
можно начать построение процесса управления уязвимостями. При наличии действующего про-
цесса управления ИТ активами, одной из задач, являющейся важной для управления уязвимостями,
является однозначное именование программного обеспечения как актива. Такое однозначное име-
нование позволяет идентифицировать программное обеспечение и его уязвимости без применения
активного сканирования узлов ИТ инфраструктуры, а только при помощи взаимодействия с сис-
темой управления ИТ активами. Технически данный подход можно назвать «пассивное обнару-
жение уязвимостей», однако использование существующих систем именования для его реализации
является крайне трудоемкой задачей. Для того чтобы сделать пассивное обнаружение реальным,
в работе авторами предлагается создать общий фундамент путем формирования концептуаль-
ной схемы и последующего создания системы стандартизированного именования и идентифика-
ции программного обеспечения, регулирование которой будет происходить централизованно на
государственном уровне. В рамках рассмотрения существующих систем именования программно-
го обеспечения, внимание уделяется проблемам CPE как со стороны специалистов на местах, а
именно получение CPE-идентификаторов и трансляция информации о программном обеспечении в
CPE-идентификатор, так и со стороны агрегатора данных об уязвимостях, а именно получение
сведений об уязвимостях через CPE-идентификатор. Обнаруженные в ходе исследования пробле-
мы применения CPE, а также проблемы взаимодействия с агрегаторами данных об уязвимостях
из недружественных стран формируют предпосылки к формированию национальной системы
государственного регулирования именования и идентификации программного обеспечения, кото-
рая устранит проблемы существующих систем именования программного обеспечения. В заклю-
чении приводятся преимущества национальной системы именования и идентификации программ-
ного обеспечения в случае ее создания и использования в реальных условиях всеми участниками
процесса управления уязвимостями.

АНАЛИЗАТОРЫ СВЧ-ЦЕПЕЙ НА ОСНОВЕ МНОГОЗОНДОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ. ОБЗОР МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР)

А. А. Львов , Б. М. Кац , П.А. Львов , В.П. Мещанов , К. А. Саяпин — Sun, 19 Jan 2025 14:38:28 +0300

Дальнейший прогресс в СВЧ-технологии неразрывно связан с созданием новых прецизионных
автоматических измерительных систем. В нашей стране не выпускаются серийно векторные
анализаторы СВЧ-цепей, которые могут измерять амплитудные и фазовые соотношения
S-параметров исследуемых микроволновых нагрузок. Использование многополюсных рефлектомет-
ров (МР) в качестве измерительных устройств в составе автоматических анализаторов цепей на
СВЧ позволяет создавать относительно дешевые и высокоточные приборы для исследования пара-
метров нагрузок. В статье дан обзор работ, в которых развивается метод МР, когда последний
может быть представлен многозондовой измерительной линией (МИЛ). Кратко описана история
развития методов измерения с помощью традиционных МР и показано, что главной проблемой их
использования является калибровка рефлектометра, которая может быть проведена точно
только с использованием набора прецизионных калибровочных средств. Подробно исследована
МИЛ, являющаяся частным случаем МР. Показано, что случайные ошибки измерения методом
МИЛ выше, чем у точно откалиброванного МР. Однако МИЛ обладает важными достоинствами,
которые обсуждаются в работе. Описана стратегия повышения точности измерения с помощью
МИЛ: 1) предложены оптимальные методы обработки выходных сигналов с зондов МИЛ по ме-
тоду максимального правдоподобия; 2) подробно исследованы методы калибровки датчиков МИЛ
и показано, что она может быть откалибрована по набору неточно известных нагрузок с парал-
лельной их аттестацией, поэтому значительно снижаются систематические ошибки калибров-
ки; 3) исследованы методы оптимизации конструкции МИЛ за счет расположения зондов внутри
СВЧ-тракта для измерения с максимальной точностью в узком и широком диапазонах частот, а
также показано, как можно измерять с потенциально достижимой точностью за счет надле-
жащего выбора весовых коэффициентов у зондов МИЛ. Исследуются случайные и систематиче-
ские ошибки измерения ККО СВЧ-нагрузок, а также неопределенности измерения типа A и B ме-
тодом МИЛ и приводятся ссылки на соответствующие работы. В завершение рассмотрены воз-
можности совместного использования методов МИЛ и МР, кратко описан комбинированный МР,
который измеряет с точностью, характерной для традиционного МР, но может быть откалиб-
рован по набору неизвестных нагрузок, что свойственно методу МИЛ.

МОДЕЛЬ РЕКТЕННЫ НА ОСНОВЕ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ СОБИРАНИЯ СВЧ ЭНЕРГИИ ПРИ СВЕРХНИЗКИХ УРОВНЯХ МОЩНОСТИ

Б.Г. Коноплев — Sun, 19 Jan 2025 14:42:57 +0300

Для беспроводного и безбатарейного питания автономных приборов с малой потребляемой
мощностью все шире применяется собирание радиочастотной энергии из окружающей среды:
энергии излучения станций сотовой связи, радиотелевизионных станций, СВЧ-печей, Wi-Fi, Bluetooth
и др. источников. Для преобразования собранной энергии в напряжение питания постоянного
тока применяются устройства, состоящие из антенны, выпрямителя и схемы согласования им-
педансов антенны и выпрямителя, называемые ректеннами. При собирании энергии из окружаю-
щей среды плотность мощности электромагнитного поля может быть весьма малой: от сотен
микроватт до десятков пиковатт на см2. Поэтому актуальной является задача разработки рек-
тенн, способных работать при сверхнизких уровнях мощности. Параметры составляющих рек-
тенны (антенны, схемы согласования импедансов, выпрямителя) сильно связаны между собой,
поэтому для получения оптимальных характеристик необходимо выполнять проектирование
ректенны с учетом взаимовлияния всех составляющих и использовать соответствующие модели.
В работе выполнен анализ особенностей построения и разработка модели ректенны на основе
МОП-транзисторов для работы при сверхнизких уровнях мощности в составе автономных уст-
ройств с беспроводным питанием. Получены выражения для оценки выходного напряжения рек-
тенны с учетом основных параметров антенны, выпрямителя/умножителя напряжения и уст-
ройства согласования импедансов. Выполнены расчеты по полученным выражениям и моделиро-
вание для типовой КМОП-технологии 90 нм. Показана возможность построения ректенн на ос-
нове МОП-транзисторов при сверхнизких мощностях вплоть до -50 дБм. Даны рекомендации по
выбору технологических и конструктивных параметров ректенн для собирания СВЧ энергии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФОЛЬГИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОМОЩЬЮ ПЕЧАТНЫХ СТРУКТУР

М. М. Мигалин , В. А. Обуховец — Sun, 19 Jan 2025 14:47:46 +0300

Рост требований пользователей к скорости обмена данными в телекоммуникационных сис-
темах привел к активному освоению мм-диапазона длин и интенсивному развитию широкополос-
ных систем связи. Проектирование устройств СВЧ мм-диапазона волн с помощью САПР требует
точного описания частотной зависимости диэлектрической проницаемости используемой под-
ложки для сокращения времени разработки устройства. Целью данной статьи является опреде-
ление относительной диэлектрической проницаемости фольгированного диэлектрика Rogers
3003G2 в мм-диапазоне длин волн. Для нахождения диэлектрической проницаемости был исполь-
зован как нерезонансный, так и резонансный методы. Автоматизации процесса обработки дан-
ных измерений была достигнута с помощью разработанного скрипта в пакете MATLAB. Приме-
нив метод разности фаз, заключающийся в применении двух микрополосковых линий разной длины,
была определена относительная диэлектрическая проницаемость фольгированного диэлектрика в
полосе 1–42 ГГц. Для отказа от использования зондовой станции с хрупкими зондами для измере-
ний S–параметров в мм-диапазоне длин были разработаны SIW–резонаторы с волноводным воз-
буждением. Применив три прототипа многомодовых SIW–резонаторов, была найдена относи-
тельная диэлектрическая проницаемость исследуемого диэлектрика в диапазоне 60–170 ГГц.
Во избежание неоднозначности при определении номера продольной моды в SIW–резонаторах был
разработан набор одномодовых SIW – резонаторов с различной величиной связи с возбуждающим
волноводом. Варьируя длину возбуждающих щелей в SIW – резонаторах, были получены нагружен-
ные резонансные частоты, по которым была определена ненагруженная резонансная частота,
использованная для нахождения относительной диэлектрической проницаемости фольгированно-
го диэлектрика. В заключении работы даны рекомендации по разработке SIW–резонаторов для
определения свойств диэлектриков.

СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ БАТАРЕИ БПЛА С ФУНКЦИЯМИ БАЛАНСИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

В. В. Бурлака , С. В. Гулаков , А.Ю. Головин , Д. С. Мироненко — Sun, 19 Jan 2025 14:55:32 +0300

Рассмотрен вопрос создания системы беспроводной зарядки бортовой батареи беспилотно-
го летательного аппарата (БПЛА) с учетом необходимости балансировки напряжений ее эле-
ментов. При проектировании системы на основании краткого обзора принципов реализации бес-
проводной передачи энергии за основу взят принцип использования магнитно-связанных контуров
как наиболее подходящий по своим технико-экономическим свойствам. Целью работы является
разработка схемного решения системы беспроводной зарядки батареи БПЛА с возможностью
балансировки напряжений как при зарядке, так и во время работы на нагрузку. Применение такой
системы позволит повысить безопасность эксплуатации батареи и продлить срок ее службы за
счет выравнивания степени износа (старения) элементов. В результате исследования разработа-
на схема и изготовлен экспериментальный образец указанной системы беспроводной зарядки.
При синтезе схемы ставилась задача минимизации количества компонентов в силовых цепях с
целью уменьшения массы системы и ее стоимости. Максимальная мощность экспериментальной
системы беспроводной зарядки превышает 100 Вт (25 В 4 А) и для примененной бортовой аккуму-
ляторной батареи емкостью 1500 мАч является несколько избыточной. Принудительного охла-
ждения приемной части не требуется. Масса приемной части, устанавливаемой на беспилотный
летательный аппарат, составляет 79 г (40 г – приемная катушка и 39 г – блок электроники) и
имеет резервы для уменьшения за счет снижения сечения проводников приемной катушки, приме-
нения в блоке электроники текстолита с меньшей толщиной, уплотнения монтажа и применения
двустороннего расположения компонентов. Проведены лабораторные испытания, подтвердив-
шие работоспособность предложенных технических решений, выполнена оценка эффективности
балансировки при зарядке. Для оценки эффективности системы балансировки в ходе эксперимен-
тов осуществлен расчет выходного сопротивления приемника (U/I) относительно одного из
элементов бортовой аккумуляторной батареи при изменении напряжения на нем. Результат со-
ставил 1,9 Ом при токе заряда 0,8 А (батарея 6S 1500 мА·ч).

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ОТЖИГА ПОДЛОЖКИ GAAS(111) НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОУГЛУБЛЕНИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ФОКУСИРОВАННЫМИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Е.А. Лахина , Н.Е. Черненко , Н.А. Шандыба , С.В. Балакирев , М. С. Солодовник — Sun, 19 Jan 2025 15:04:37 +0300

Представлены результаты экспериментальных исследований процессов формирования уг-
лублений методом фокусированных ионных пучков на подложках GaAs(111) и их последующей
трансформации в процессе отжига в сверхвысоковакуумной камере молекулярно-лучевой эпитак-
сии в потоке мышьяка и в его отсутствие. Установлено, что при времени воздействия ионного
пучка, равного 1 мс, процессы накопления ионов в подложке преобладают над процессами распы-
ления материала, тогда как при времени, равном 5 мс, происходит интенсивное распыление мате-
риала подложки в точках воздействия ионного пучка с увеличением глубины вытравливаемых уча-
стков при повышении числа проходов. После отжига подложек с участками, модифицированными
фокусированным ионным пучком, углубления значительно увеличиваются в размерах в результате
процессов локального капельного травления. Исследования показали, что размеры углублений после
отжига в потоке мышьяка превышают размеры углублений после отжига в отсутствие потокамышьяка почти во всем диапазоне чисел проходов ионного пучка. Зависимости глубины и лате-
рального размера углублений от числа проходов ионного пучка имеют немонотонный характер,
обусловленный конкуренцией процессов капельного травления и кристаллизации областей, моди-
фицированных ионным пучком, в потоке мышьяка. Результаты проведенных экспериментальных
исследований свидетельствуют о том, что для получения высокосимметричных пирамидальных
углублений с низкой поверхностной плотностью требуется создание на поверхности GaAs(111)
массива точек обработки фокусированного ионного пучка с интервалом 2 мкм при времени воз-
действия 5 мс и количестве проходов, равном 40. На следующем этапе необходима трансформа-
ция точек обработки ионного пучка в углубления пирамидальной формы посредством отжига
подложки в камере молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 600°С и временном интерва-
ле 60 минут. Предложенная в работе методика, основанная на комбинации процессов ионно-
лучевой обработки поверхности и молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет получить наноуглуб-
ления с требуемой симметрией, которые в дальнейшем могут служить центрами зарождения
квантовых точек InAs с заданными свойствами

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМОЛ ДЛЯ DLP 3D ПЕЧАТИ С ДОБАВКАМИ ПОРОШКОВ AL2O3 И ЦТС-19

А. В. Юдин , Ю. И. Юрасов , П.С. Пляка , М.И. Толстунов , О.А. Беляк — Sun, 19 Jan 2025 15:14:04 +0300

Расширение спектра материалов, доступных для обработки аддитивными методами, пред-
ставляет большой интерес для промышленности. Технологии, такие как 3D печать полимерами,
значительно раздвигают границы возможностей при проектировании, позволяя совершить пере-
ход к устройствам нового поколения. В виду постепенного внедрения таких подходов на практике,
новый импульс развития получило направление метаматериалов – объемных структур, геометрия
которых позволяет более полно использовать свойства базового материала. В частности, кера-
мики, распространенные в современной электронной технике, могут быть введены в формуемый
аддитивным способом полимер в качестве функциональной добавки. Последующая термическая
обработка таких составов позволяет получить макроструктурированный керамо-полимерный
или чисто керамический каркас с уникальными пьезо- или диэлектрическими свойствами. Однако,
частицы добавки могут значительно изменять технологические свойства базового материала,
что необходимо учитывать. При этом вычленение эмпирических признаков, характеризующих
эту динамику, является нетривиальной задачей. Так, в публикациях по УФ-отверждаемым компо-
зитам в качестве ведущего признака признается критерий вязкости состава. В то же время оп-
тическая проницаемость, определяющая потребную мощность оборудования, не рассматривает-
ся должным образом. В этой связи в представленной работе проведено исследование вязкостных,
диэлектрических, оптических и температурных свойств композитов на основе
УФ-отверждаемой смолы для DLP 3D печати, содержащих добавки 5 об. % порошков Al2O3 и
ЦТС-19. Представлен метод качественного экспресс-анализа технологической пригодности со-
става, основанный на скотч-тесте. Показано, что вязкость состава менее значима в сравнении с
его оптической проницаемостью в УФ-диапазоне. Рассмотренные составы обладают темпера-
турной стабильностью вплоть до 300 ⁰С. Введение порошковых добавок позволяет в 2,5 раза уве-
личить показатель диэлектрической проницаемости ε'/ε0 и снизить диэлектрические потери в
материале при его нагреве выше 110 ⁰C. Показано, что композиты, содержащие оксид алюминия
обладают потенциалом для применения в электронике.