Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

Постановка проблемы: визуализация растительности в трехмерных ландшафтных сценах является нетривиальной задачей в силу сложной структуры ветвления у различных пород деревьев. Пакеты общего назначения не позволяют разрабатывать модели растительности без определенных навыков работы. Специальные пакеты, такие как геоинфор- мационные системы, используют укрупненные графические примитивы для описания формы крон деревьев. В связи с этим возникает задача разработки правил ветвления как для хвойных, так и для широколиственных пород деревьев. Результаты: описан процесс моделирования трехмерных сцен лесных участков по данным лазерного сканирования и аэрофотоснимкам, которые дают информацию о форме кроны дерева, высоте лесного полога и типе ландшафта с применением правил классификации лазерных данных. Правила построены на разбиении исходного облака точек на трехмерные кубы — вокселы. Разработаны правила ветвления для различных пород деревьев на основе L-систем, кото- рые используются для прорисовки базового каркаса модели дерева. Для детального построения кроны дерева исполь- зуется алгоритм Space Colonization. Практическая значимость: полученные правила классификации данных лазерного сканирования позволяют создавать высокоточные модели естественных ландшафтных сцен лесной растительности для визуализации данных.

Цель: для конструирования системы управления шагающей машиной необходимо наличие кинематической и динамической моделей этой машины. Целью исследования является разработка кинематической модели для действующего макета шестиногого шагающего робота, позволяющей получить визуальное представление о его перемещении в пространстве при создании алгоритмов управления. Результаты: найдено математическое описание кинематической модели шестиногого шагающего робота в виде систем уравнений для определения положения узлов робота при заданных углах разворота звеньев конечностей. Получена система разностных уравнений, позволяющая провести моделирование движений робота при управлении по вектору скорости. На основании разработанной модели выполнена визуализация различных типов перемещения робота в пакете MatLab. Изменение углов расположения конечностей робота осуществля- ется с помощью гидроприводов, в связи с этим получены уравнения, определяющие связь величины выдвижения штоков гидроприводов и углов расположения конечностей. Для оценки возможностей перемещения робота построена область достижимости ступни и найдены аналитические границы этой области. Практическая значимость: разработанная модель может быть использована как основа построения динамической модели при разработке и апробации алгоритмов управления движением машины, а также для управления макетом машины в режиме следящего привода.

Постановка проблемы: известные методы, обеспечивающие качественную конвертацию 2D-изображений и ви- део в стереоскопический формат, имеют общий недостаток — ручную реализацию ряда этапов и, следовательно, яв- ляются дорогостоящими. Цель: разработка полуавтоматических и потому более экономичных методов конвертации 2D-изображений и видео в стереоскопический формат. Результаты: предложенные шесть методов конвертации осно- ваны, во-первых, на положениях выдвинутой ранее и экспериментально подтвержденной гипотезы, согласно которой ощущение глубины пространства при наблюдении 3D-сцен и стереоскопических изображений создается благодаря «конвергенционно-дивергенционным» движениям глаз, а во-вторых, на следующем из нее выводе, что при генерации стереоизображений важны лишь области карты глубины, примыкающие к резким световым границам. Первый метод заключается в аппроксимации поверхностей объектов, представленных на конвертируемом изображении, небольшим количеством плоскостей. Второй метод основан на синтезе карты глубины небольшим набором примитивных поверх- ностей. Особенностью третьего метода конвертации является синтез карты глубины из ахроматического компонента самого конвертируемого изображения. Четвертый метод конвертации отличается от предыдущего тем, что карта глуби- ны формируется из контуров ахроматического компонента конвертируемого изображения. В пятом и шестом методах при формировании карты глубины использован фактор движения объектов. Практическая значимость: разработанные методы обладают бóльшим быстродействием и требуют меньших затрат ручного труда, поэтому их можно эффективно применять на практике для конвертации как отдельных изображений, так и видео.

Введение: важнейшей характеристикой систем межмашинного взаимодействия (Machine-to-Machine) является среднее количество активных абонентов в системе. Под «активным» понимают такого абонента, у которого в данный мо- мент есть готовый для передачи пакет. При большом количестве активных абонентов в сети в системе будет наблюдать- ся большая средняя задержка на передачу пакета. В 5-м поколении беспроводных сетей предлагаются решения, в кото- рых использование неортогональных ресурсов позволяет реализовать обслуживание большого количества абонентских устройств и обеспечить относительно небольшое количество активных абонентов в сети. При этом вероятность успеш- ной передачи в некотором ресурсе зависит от общего количества передаваемых пакетов в других ресурсах. Данная особенность усложняет необходимый анализ таких систем. Цель: разработка модели для анализа характеристик систем межмашинного взаимодействия, построенных на базе сетей 5-го поколения. Результаты: предложена новая модель случайного множественного доступа для анализа характеристик систем Machine-to-Machine на основе беспроводных сетей последнего поколения. Модель построена с учетом того, что вероятность успешного детектирования пакета от або- нентского устройства зависит от общего количества передающих абонентов в системе, даже если они передают в орто- гональных каналах. Для анализа таких систем использован метод жидкостной аппроксимации, позволяющий при низких вычислительных затратах оценить такие характеристики, как задержки на передачу пакета и среднее число абонентов, имеющих готовый для передачи пакет. Точность предложенного метода продемонстрирована на численном примере. Практическая значимость: предложенный метод и результаты исследования могут быть использованы разработчика- ми систем межмашинного взаимодействия для оценки среднего энергопотребления и задержек на передачу пакета, в том числе для оперативного перераспределения числа ресурсов, выделяемых для взаимодействия Machine-to-Machine систем и систем, ориентированных на передачу данных между людьми (Human-to-Human) в гибридных сотовых сетях.

Постановка проблемы: в настоящее время для идентификации симметричных преобразований цифровой визуаль- ной информации в целях ее сокрытия от несанкционированного ознакомления существует ряд терминов. Значительные расхождения в реализации преобразований, применение в них разных математических методов и связанных с этим требований к эффективности сокрытия приводят к необходимости уточнения соответствия терминов выполняемым про- цедурам. Ставится цель критически оценить термины «маскирование» и «демаскирование», рассмотреть альтернатив- ные варианты терминологического обозначения преобразований, выполняемых для защиты цифровых изображений с малым временем актуальности, и закрепить наиболее подходящий вариант. Результаты: сопоставительный анализ терминологии, близкой по значению к описанию содержания процедур преобразования цифровой визуальной инфор- мации, показал, что в настоящее время отсутствуют сколь-нибудь более близкие термины, чем «маскирование» и «дема- скирование», с определением, способным указать точное место рассматриваемых процедур среди способов защиты информации. Практическая значимость: показано, что термин «маскирование» и связанный с ним термин «демаски- рование» наиболее близки к описанию сути преобразований цифровой визуальной видеоинформации с малым време- нем актуальности в целях ее сокрытия от несанкционированного ознакомления. Сформулированы основные определе- ния применительно к матричным преобразованиям цифровой визуальной информации с использованием квазиортого- нальных базисов, приведены матричные соотношения для выполнения «маскирования» и «демаскирования».

Введение: в процессе опытной отработки систем управления перспективных объектов невозможно обеспечить полную идентичность условий испытаний отдельных образцов из-за проведения доработок, изменения граничных условий и т. д. Одним из путей устранения неоднородности информации, получаемой в процессе испытаний, является приведение резуль- татов испытаний отдельных образцов к некоторым заранее заданным условиям. Качество оценок характеристик системы управления, получаемых по объединенной таким образом выборке, существенно зависит от точности используемых опера- торов приведения. Цель: повышение точности определения операторов приведения по сравнению с известными метода- ми решения этой задачи. Результаты: предложен новый подход к объединению неоднородных опытных данных, позволив- ший повысить точность приведения результатов испытаний к единым условиям и качество оценок характеристик системы. В основу определения оператора приведения положены условия полного совпадения математических ожиданий и макси- мальной близости ковариационных матриц, характеризующих точность системы в различных условиях. Таким образом обе- спечен наиболее полный учет ограниченных опытных данных, полученных в процессе опытной отработки системы управ- ления. Приведен пример оценивания характеристик точности системы управления предложенным методом. Практическая значимость: применение полученных результатов позволяет повысить точность оценок характеристик системы управления

Цель: разработка динамических математических моделей управляемых технологических процессов осушки природ- ного газа. Результаты: разработана концептуальная модель тепло- и массообменных процессов комплекса технологи- ческих систем «Абсорбция – Десорбция» как объекта управления, характеризующаяся взаимосвязью разнородных фи- зических процессов, структурой и обоснованным выбором входных, внутренних, измеряемых и управляемых величин. На основе концептуальной модели разработаны и исследованы математические модели управляемых массообменных процессов в абсорбере насадочного типа и теплообменных процессов в испарителе и аппарате воздушного охлажде- ния, отличающиеся обоснованным принятием допущений, пространственной распределенностью величин и учетом функциональной зависимости скорости газообразной фазы от внешних и внутренних возмущающих факторов, что по- зволяет адекватно управлять процессами в условиях изменения этих факторов. Предложено многорежимное регули- рование моделируемых процессов. Практическая значимость: разработанные математические модели управляемых массо- и теплообменных процессов абсорбционной осушки природного газа позволяют объяснять и прогнозировать по- ведение комплекса технологических систем типовых установок комплексной подготовки газа при различных режимах функционирования. Применение многорежимного регулирования обеспечивает поддержание заданного качества газа в широких интервалах изменения давления, температуры и расхода.

Постановка проблемы: основу современных авиационных средств отображения информации, работающих в жест- ких условиях эксплуатации, составляют жидкокристаллические панели. Температура окружающей среды оказывает су- щественное влияние на колориметрические характеристики цветопередачи панели, в связи с чем требуется термоста- билизация режима работы панели в составе изделия. Цель исследования заключается в решении задачи идентификации модели системы автоматического управления тепловым режимом работы жидкокристаллической панели. Методы: для решения задачи идентификации модели системы автоматического управления используются методы анализа систем автоматического управления. Для моделирования используется пакет Simulink в составе среды MathLab. Теоретическо- му анализу подлежит структура автоматической системы, заданная на уровне функциональных элементов автоматики. Результаты: предложен программный инструмент для моделирования системы автоматического управления тепловым режимом работы жидкокристаллической панели в составе бортового средства индикации. Получены теоретические и экспериментальные графические зависимости рабочей температуры жидкокристаллической панели от времени работы изделия в заданных условиях. Практическая значимость: результаты исследования получены при выполнении опытно- конструкторской работы и могут использоваться разработчиками бортовых средств отображения информации для вы- полнения схемотехнических расчетов и для оценки тепловых режимов жидкокристаллических панелей.

Постановка проблемы: основным показателем эффективности средств обнаружения систем физической защиты является вероятность обнаружения нарушителя. Получение объективной оценки этого параметра сопряжено с такими трудностями, как субъективизм экспертных оценок и сложность использования экспериментальных результатов, осо- бенно в задачах математического моделирования. Цель исследования: выбор и разработка объективных критериев эффективности и методики их применения в практических задачах анализа типовых средств обнаружения. Методы: структурирование диаграмм направленности на зоны необнаружения, обнаружения и уверенного обнаружения с оцен- кой их формы и размеров. Результаты: общие критерии достижения требуемой вероятности обнаружения при мини- мальном уровне ложных тревог и несовместности воздействий нарушителя на средства обнаружения дополнены сфор- мулированными критериями полного перекрытия зоны обнаружения диаграммой направленности и минимума макси- мального расстояния обнаружения. Последовательное применение метода структурирования зон, оценки их формы и размеров и анализа вероятности обнаружения по сформулированным критериям может использоваться как методика оценки эффективности. Анализ по этой методике наиболее распространенных одиночных пассивных инфракрасных и радиоволновых извещателей и различных их пространственных структур, а также комбинированных извещателей показал, что как сами извещатели, так и их структуры в определенных условиях, в частности при радиальном направ- лении движения для пассивных инфракрасных и тангенциальном для радиоволновых устройств обнаружения наруши- теля, имеют низкую вероятность обнаружения. Хоть и в меньшей степени, это относится и к комбинированным устрой- ствам. Наиболее полно сформулированным критериям соответствуют ортогональные разнесенные комбинированные извещатели.

Постановка проблемы: использование в интеллектуальных роботах гексаподоподобных структур SEMS (умных элек- тромеханических систем) дает возможность получить максимальную точность исполнительных механизмов при мини- мальном времени перемещения за счет введения параллелизма в процессы измерения, вычисления, перемещения и применения высокоточных пьезодвигателей, способных работать в экстремальных условиях, в том числе в открытом космосе. Основным элементом SEMS является универсальный модуль, обеспечивающий, в отличие от гексаподов, не только сдвиги и повороты верхней платформы, но и сжатие и расширение верхней и нижней платформ, что в совокуп- ности с системами управления, измерения и стыковки обеспечивает его универсальность. Целью работы является построение математической модели системы автоматического управления универсального модуля SEMS, предназна- ченного для функционирования в условиях априорной неопределенности динамически изменяющейся внешней среды. Результаты: описана структура универсального модуля, содержащего электромеханическую систему параллельного ти- па, систему автоматического управления, измерительную систему и систему стыковки. Ядром системы автоматическо- го управления служит нейропроцессорная система автоматического управления, основной функцией которой является автоматическое управление перемещением верхней платформы, имеющей шестиосевую систему позиционирования с блоком управления, а также автоматическое управление сжатием и растяжением верхней и нижней платформ за счет удлинения трех управляемых стержней в каждой платформе. Построена математическая модель системы авто- матического управления универсального модуля SEMS, которая содержит следующие блоки: вычисления удлинений, управления стержнями верхней платформы и нижней платформы, управления актуаторами ног, двигателей стержней верхней платформы и нижней платформы, двигателей актуаторов ног, редукторов стержней верхней платформы и нижней платформы, редукторов актуаторов ног, определения моментов и сил сопротивления и вычисления координат платформы. Для каждого блока приведено математическое описание. При этом отмечено, что для получения параметров ряда блоков системы требуется проведение экспериментальных исследований. Практическая значимость: возможно применение универсальных модулей SEMS с рассмотренной нейропроцессорной системой автоматического управле- ния в интеллектуальных робототехнических комплексах, медицинских микророботах, платформах орудийных и пусковых установок, опорно-поворотных устройствах антенн и др.

Цель: ручная обработка информации, связанной с безопасностью, может привести к упущению важных факторов и, в конечном итоге, к выбору неэффективных защитных мер. Целью исследования является автоматизация процесса выбора защитных мер путем обработки данных по безопасности. Результаты: разработана методика выбора контрмер в процессе управления информацией и событиями безопасности, основанная на предложенной авторами комплексной системе показателей защищенности, отражающих ситуацию по безопасности в сети. Для выбора контрмер в систему показателей вводится дополнительный уровень поддержки принятия решений, базирующийся на показателях оценки эффективности применения контрмер. Основными особенностями предлагаемого подхода являются использование графов атак и зависимостей сервисов, применение предлагаемых модели контрмер и показателей защищенности, а также возможность предоставления решения по выбору контрмер в любой момент времени в соответствии с текущей информацией о состоянии защищенности и событиях безопасности. Практическая значимость: разработанная мето- дика позволит повысить эффективность процесса принятия решений по выбору защитных мер в системах управления информацией и событиями безопасности.

Постановка проблемы: большинство методов классификации сигналов учитывают внутреннюю структуру объек- тов, основываясь только на марковских предположениях, что приводит к потере значительной части дискриминантной информации, содержащейся в сигнале. Целью данной работы является улучшение качества работы методов класси- фикации сигналов за счет анализа информации о структуре их кластерного разбиения. Результаты: предложен метод классификации на основе спектрального анализа графов, формируемых по обучаемой с учителем модели, и разработан способ классификации сигналов на основе анализа структуры кластеров, получаемых в результате отображения сигнала на нелинейное главное многообразие малой размерности с помощью алгоритма формирования самоорганизующейся карты Кохонена. Полученное кластерное разбиение представляется в виде графа. Определены граф данных и граф мо- дели, задаваемые на топологической, упорядоченной структуре карты Кохонена. Целочисленная мера сходства графа данных и графа модели вычисляется с использованием методов спектральной теории графов. Экспериментально до- казано улучшение качества классификации при объединении предложенного в работе метода с широко известными методами, такими как HMM и HCRF, а также с ранее разработанным нами методом NPM-PGM. Практическая значи- мость: разработанный метод может быть использован для решения задач распознавания сигналов (последователь- ностей наблюдений), таких как, например, распознавание рукописных символов, написанных

Цель: разработка метода тестового диагностирования линейных динамических систем, отличающегося от известных методов, основанных на использовании специальных тестовых воздействий, тем, что применяются математические модели скалярной динамической системы в виде передаточных функций и определенных структур связи ее звеньев. Методы: использована теория линейных систем управления, позволившая понятным и удобным образом описать процесс тестового диагностирования. Результаты: разработан метод тестового диагностирования линейных динамических систем, для которых известны передаточные функции их звеньев и структуры связей этих звеньев между собой. Суть метода в том, что с помощью предложенных диагностических моделей линейной скалярной системы строится процеду- ра тестового диагностирования, основанная на дихотомическом поиске дефекта. Благодаря этой процедуре можно не только обнаружить дефект, но и локализовать то звено системы, где он возник. Процедура тестового диагностирования позволила построить тестеры двух типов — параллельного и последовательного, что связано со способом реализации тестера: при программной реализации тестера использована последовательная, а при моделировании в Simulink — параллельная структура. Практическая значимость: по разработанному методу быстро и достаточно просто можно провести тестовое диагностирование скалярной линейной системы управления, указав место появившегося дефекта. В статье это сделано для двух систем третьего порядка.

Постановка проблемы: в процессе эксплуатации информационно-вычислительных систем военного назначения возможно как резкое увеличение объема решаемых задач, так и деградация систем по причинам естественных от- казов и (или) целенаправленного воздействия противника. Такие ситуации характеризуются дефицитом ресурсов ин- формационно-вычислительных систем и в общем случае нестохастической средой функционирования. Целью исследо- вания является решение проблемы распределения ресурсов под задачи в нестохастической среде методами теории адаптивного управления. Методы: формализация информационно-технических воздействий противника для описания возможностей противника по изменению структуры информационно-вычислительной системы, что позволяет созда- вать модель системы непосредственно в ходе управления; формирование пула (агрегирование ресурсов) в процессе решения модифицированной задачи об упаковке контейнеров. Оперативность решения достигается многошаговым сужением множества альтернатив и применением принципа постепенного распространения задач по системе. Резуль- таты: предложен метод, адаптирующий текущую структуру распределенной гетерогенной информационно-вычислитель- ной системы, содержащей стационарные и мобильные элементы, таким образом, чтобы собрать пулы, достаточные для решения поставленных задач. Пул собирается из вычислительных устройств, каналов связи, устройств ввода-вывода, накопителей. Изначально пул включает в себя точку входа задачи, т. е. элемент, на котором начинается выполнение за- дачи. Затем пул расширяется элементами, ему смежными. Процедура расширения пула повторяется до тех пор, пока не будут исчерпаны все ресурсы системы или не будет сформирован пул с требуемыми характеристиками. Сформи- рованный пул не является оптимальным, однако время его формирования близко к реальному. Доказаны сходимость и завершаемость предлагаемого метода; приведен пример и показаны условия применения метода. Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы при создании единого информационного пространства различных министерств и служб, в автоматизированных системах военного назначения. doi:10.15217/issn1684-8853.2015.1.13

Введение: в гибких дискретных системах (экспертных, информационно-аналитических и др.) существует проблема остановки процесса вычислений, т. е. выявления шага обработки, после которого необходимо изменить режим рабо- ты системы (например, выдать сигнал ошибки или изменить направление логического вывода). В настоящей работе предлагается применить для этого универсальные эвристические индикаторы хода вывода, которые можно конкрети- зировать для реальных типов данных. Такие индикаторы позволяют оценить успешность продвижения к цели вывода и принять решение о его прекращении или продолжении. Результаты: предложен метод управления ходом прямого логического вывода в гибких дискретных интеллектуальных системах, основанный на эвристических теоретико-множе- ственных индикаторах хода вывода, которые анализируют текущие подмножества возможных, истинных и ложных зна- чений переменных и прекращают цепочку вывода в случае ее неперспективности (невозможности сузить уже получен- ный диапазон возможных значений целевой переменной) или возникновения конфликта, например получения пустого множества возможных значений. Разработанный метод управления выводом использует интегральные оценки успеш- ности процедур вывода по критериям «здравого смысла», к которым можно отнести коэффициенты уверенности, расчет мер доверия и недоверия (шансов) к гипотезам c учетом использованных и еще не использованных свидетельств, идеи ДСМ-метода и т. п. Практическая значимость: представленные в работе правила обработки продукций и эмпирические индикаторы хода логического вывода в гибких дискретных системах позволяют оценить успешность продвижения к цели вывода и принять решение о его прекращении или продолжении. doi:10.15217/issn1684-8853.2015.1.29