Цели. Актуальной является задача совершенствования функциональной архитектуры кластерных вычислительных систем за счет внедрения методологий создания программного обеспечения прикладного и промежуточного уровней на основе формализованных спецификаций. Одна из таких методологий основана на использовании автоматных спецификаций программного обеспечения вычислительных систем. Сложность решения задачи вызвана разветвленностью построенных алгоритмов, а также наличием циклических участков. Время выполнения разветвленных участков программы и число проходимых циклов зависят от вида вводимых условий и на практике могут быть определены при помощи детальной имитационной модели и анализа созданной на ее основе управляющей программы. Цель работы – нахождение подходов к определению функциональной архитектуры, которые возможно применять практически на основных уровнях предметной ориентации кластерных вычислительных систем.

Методы. Предлагаемые и использованные методы основаны на концепции организации и исследования вычислительных систем кластерного типа с функциональной архитектурой, определяемой исполнимыми автоматными моделями.

Результаты. Предложены методы построения автоматных и логико-вероятностных моделей кластерных вычислительных систем и создания на этой основе программных средств. Вводится понятие логико-вероятностной модели «темпоральная вероятностная система канонических уравнений», которая позволит получить наглядную формализацию и реализацию автоматных моделей и рабочих программ, характерных для кластерных и других приложений, и в существенной степени сократить число «инкрементных» сложений при перечислении моментов дискретного времени. Главной особенностью новой логико-вероятностной модели является сохранение в ее основе исходной системы канонических уравнений.

Выводы. Сделан вывод о том, что выбор системной и функциональной архитектуры вычислительного кластера должен определяться не столько указанными производителем пиковыми характеристиками коммуникационной аппаратуры, сколько реальными показателями, достигаемыми на уровне приложений пользователей и режимов использования кластера. Показано, что исполнимые автоматные модели могут применяться практически на всех уровнях предметной ориентации кластерных вычислительных систем.

 Цели. Отсутствие квантовых компьютеров, устойчивых к ошибкам, а также невозможность обеспечить беспрепятственный и полнофункциональный физический доступ к облачным квантовым системам поднимает актуальный вопрос о необходимости разработки методов оценки и верификации облачных квантовых компьютеров. Авторам видится перспективным использование подхода к анализу возможностей квантового процессора в контексте его применимости для решения некоторых задач, возникающих при оценке систем защиты информации. Одним из примеров теста квантового вычислительного устройства (КВУ) на предмет выявления уровня производительности и качества вычислений может послужить модель генерации случайной двоичной последовательности, анализ которой предоставляет информацию о корректности и надежности исследуемого квантового регистра. Цель работы заключается в разработке программного комплекса, с помощью которого представляется возможным моделирование работы КВУ в режиме квантового генератора случайных чисел.

Методы. Программная реализация по взаимодействию с облачными квантовыми компьютерами выполнена с использованием библиотеки Qiskit. Интерфейс программного комплекса реализован средствами Qt5, кроссплатформенного набора инструментов и виджетов для создания графических приложений. Анализ генерируемой двоичной последовательности выполнен статистическими тестами NIST STS1.

Результаты. Разработан программный комплекс, предоставляющий пользователю в графическом режиме возможность выполнения опционального исследования некоторых облачных квантовых компьютеров на предмет выявления оптимального и наиболее устойчивого к ошибкам набора кубит. Приведены результаты экспериментов на трех облачных КВУ. 

Выводы. В условиях накладываемых ограничений на вычислительные мощности и время использования облачных КВУ предложенный подход отличается минимальными требованиями к производительности устройства, предоставляет наглядные и однозначно-интерпретируемые сведения об исследуемых технических характеристиках квантового компьютера, является воспроизводимым, легко масштабируемым и универсальным. 

Цели. Целью работы является исследование свойств максимально правдоподобных (МП) оценок углов прихода детерминированных и случайных сигналов в многоэлементных антенных решетках, разработка эффективных алгоритмов нахождения МП-оценок и определение точных значений пороговых отношений сигнал/шум, ниже которых возникают аномально большие ошибки, существенно превышающие теоретически минимальные значения, определяемые границами Крамера – Рао.

Методы. Теория оптимального приема сигналов, численное моделирование системы обработки сигналов в многоэлементных антенных решетках на основе разработанных алгоритмов нахождения МП-оценок, сравнение среднеквадратичных ошибок полученных оценок с теоретически минимальными границами Крамера – Рао, найденными аналитически.

Результаты. В широком интервале значений отношений сигнал/шум выполнено численное исследование характеристик МП-оценок угла прихода детерминированных и случайных сигналов в многоэлементных линейных и круговых антенных решетках. Предложена методика определения с высокой точностью пороговых значений отношений сигнал/шум, ниже которых возникают аномально большие ошибки измерений. С помощью численного моделирования показано, что когерентная и некогерентная обработка сигналов дают одинаковые предельно достижимые точности при одинаковых отношениях сигнал/шум, превышающих пороговые значения. В то же время, на величину порога существенно влияют вид полезного сигнала и метод его обработки. Выявлены общие закономерности между этими пороговыми значениями, конфигурациями антенных решеток, типом обрабатываемого сигнала и используемым алгоритмом оценивания.

Выводы. Полученные численные и аналитические результаты дают возможность выработать рекомендации по выбору конфигураций многоэлементных антенных решеток и основных параметров систем высокоточного пеленгования источников излучения различных сигналов, что позволит избежать возникновения аномально больших ошибок измерений. Результаты могут быть использованы непосредственно при расчете характеристик проектируемых систем. 

Цели. Целью исследования является повышение безопасности дорожного движения за счет разработки устройства вызова экстренных оперативных служб для водителей двухколесных транспортных средств, как наиболее уязвимых участников дорожного движения, и улучшения их технической оснащенности.

Методы. В ходе исследования проанализированы характеристики канала передачи акустического сигнала и процессов, сопровождающих его распространение. При исследовании параметров голосовой связи применялись методы шумоподавления, эхоподавления и эхокомпенсации, а также алгоритмы преобразования акустической информации, реализованные в аппаратно-программной части устройства.

Результаты. В ходе проектирования устройства учтены особенности управления двухколесным транспортным средством, влияние внешних воздействующих факторов и климатических условий. Предложена реализация интерфейса взаимодействия водителя двухколесного транспортного средства с оператором системы «ЭРА-ГЛОНАСС», учитывающая специфику его использования. Приведены структурные схемы эхокомпенсатора и детектора двойного речевого сигнала с использованием адаптивного фильтра. Описана процедура автоматической регулировки усиления акустического сигнала речевого диапазона. Рассмотрены алгоритмы, реализующие эти процессы, и возможность их адаптации к задачам устройства вызова экстренных оперативных служб. Показаны результаты практической реализации опытного образца устройства: конструкция, его интеграция в приборную панель двухколесного транспортного средства. Приведены структурная схема тестового стенда, программное обеспечение для качественного анализа акустического сигнала, оценена эффективность предложенного решения.

Выводы. Результаты исследования по конструированию устройства вызова экстренных оперативных служб показали, что применение алгоритмов аналоговой и цифровой обработки речевого сигнала, реализуемых в кодеке и модеме устройства, позволит обеспечить качественный уровень голосовой связи водителя с оператором экстренных оперативных служб. 

Цели. Целью статьи является исследование разработанного авторами метода ограничения пик-фактора с дополнительным сигналом в системе связи с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) при использовании полиномиальной регрессии для выбора параметров метода.

Методы. В работе использованы методы статистической радиотехники, математического моделирования для аппроксимации зависимости вероятности битовой ошибки от величины уровня ограничения и числа дополнительных сигналов при использовании полиномиальной регрессии.

Результаты. Разработан алгоритм выбора параметров метода ограничения пик-фактора с дополнительным сигналом в системе связи с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов на основе полиномиальной регрессии, позволяющий оперативно оценивать характеристики системы без дополнительных затрат времени на математическое моделирование. Это значительно упрощает выбор оптимального уровня ограничения и числа дополнительных сигналов без выполнения полного цикла моделирования для каждой конфигурации. Моделирование и аналитические расчеты подтвердили, что увеличение уровня ограничения способствует снижению вероятности битовой ошибки, а увеличение числа дополнительных сигналов улучшает точность ограничения, однако вызывает рост вычислительных затрат. Оптимальный выбор параметров позволяет достичь компромисса между снижением пик-фактора и сохранением качества сигнала. Также установлено, что при фиксированном уровне ограничения существует оптимальное значение числа дополнительных сигналов, обеспечивающее наилучшее соотношение между вероятностью ошибки и снижением пиковых значений.

Выводы. Предложенный подход позволяет сократить время расчетов более чем в 5 раз, обеспечивая гибкость и адаптивность при проектировании OFDM-систем с ограничением пиковых значений. 

Цели. Целью исследования является проверка гипотезы о том, что стойкость мощных металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (МОПТ) к электростатическому разряду (ЭСР) после гамма-облучения определяется концентрацией встроившихся в процессе облучения поверхностных состояний (ПС). Причиной такой зависимости является деградация коэффициента усиления паразитного биполярного транзистора в структуре мощных МОПТ при накоплении ПС. Как следствие, для включения паразитного биполярного транзистора и последующего выхода из строя МОПТ требуется все большее напряжение импульса ЭСР.

Методы. Теоретическое описание физического механизма накопления ПС и его влияния на стойкость мощных МОПТ к ЭСР. Экспериментальные исследования, включающие определение стойкости к ЭСР двух типов необлученных МОПТ с помощью специально разработанного генератора ЭСР, облучение гаммаквантами ⁶⁰Co в активном электрическом режиме до нескольких уровней поглощенной дозы и последующее определение стойкости облученных образцов к ЭСР.

Результаты. Разработан метод, позволяющий численно рассчитать зависимости тока стока от напряжения затвор-исток для любых значений плотности накопленного радиационно-индуцированного заряда и концентрации встроившихся ПС. Показано, что для 1-го типа МОПТ при облучении до уровня поглощенной дозы в 3 крад встраивание ПС не происходило, и также не наблюдалось изменение пробивного напряжения при воздействии ЭСР или наблюдалось его незначительное снижение. Для 2-го типа МОПТ наблюдалось встраивание ПС при облучении до уровня поглощенной дозы в 2 и 4 крад, а также увеличение пробивного напряжения при воздействии ЭСР.

Выводы. Показана связь между концентрацией встроившихся ПС и изменением стойкости мощных МОПТ к ЭСР. Полученные результаты могут быть использованы при оценке времени безотказной работы устройств, работающих в условиях одновременного воздействия радиационных и импульсных электрических нагрузок. 

Цели. Цель работы – восполнить пробел, касающийся подхода к оценке рабочей (локальной) зоны в измерительных устройствах – магнитометрах-электромагнитах, предназначенных для контроля магнитных свойств образцов с обеспечением в данной зоне условия однородности магнитного поля: постоянства напряженности поля или индукции.

Методы. В основе методологии достижения поставленной цели – экспериментальное получение координатных характеристик напряженности (индукции) поля между полюсами и идентификация искомой рабочей зоны (в окрестности экстремума, фактически – минимума каждой из таких характеристик) с учетом расстояния b между полюсами и их диаметра D.

Результаты. Приведены экспериментально аргументированные данные о рабочих зонах между противостоящими плоскими полюсами для разных величин b и D. Так, при повышенных отношениях b/D = 0.7–1.3 размер рабочей зоны, сосредоточенной в срединной приосевой части межполюсной области, оценивается величиной, не превышающей 25–30% от расстояния b. Тогда характерный продольный размер образца со сравнительно малыми поперечными размерами (при размещении образца в такой зоне) не должен превышать 5–10 мм. С увеличением диаметра D и уменьшением отношения b/D рабочая зона увеличивается. В частности, при b/D ≅ 0.5 размер рабочей зоны оценивается величиной до 90% и даже 100% от расстояния b.

Выводы. Показан и реализован принципиальный подход к оценке рабочей (приосевой) зоны между противостоящими плоскими полюсами посредством получения и анализа необходимых для этого координатных (экстремальных по виду, существенно зависимых от расстояния между полюсами и их диаметра) характеристик напряженности (индукции) поля между ними.

Цели. Статья посвящена развитию достаточно редкого метода расщепления интегрального преобразования Фурье – Ханкеля при нахождении точного аналитического решения обобщенной третьей краевой задачи сложного теплообмена с переменным во времени коэффициентом теплообмена и переменной во времени температурой окружающей среды. Обобщение заключается в том, что исходная задача рассматривается одновременно в трех системах координат: декартовой (полупространство, ограниченное плоской поверхностью), цилиндрической (пространство, ограниченное изнутри цилиндрической полостью), сферической (пространство, ограниченное изнутри сферической полостью).

Методы. Используется развитое для этих целей обобщенное интегральное преобразование одновременно в трех системах координат и метод его расщепления применительно к задаче сложного теплообмена.

Результаты. Предварительно создан специальный математический аппарат – обобщенное интегральное преобразование Фурье – Ханкеля одновременно для трех систем координат (в литературе указанное преобразование сформулировано для каждой системы координат отдельно). Наличие указанного математического аппарата позволило развить метод его расщепления и получить точное аналитическое решение третьей краевой задачи нестационарной теплопроводности сложного теплообмена одновременно для всех трех систем координат. В качестве иллюстрации рассмотрен частный случай в декартовых координатах и установлен быстрый рост пикаровского процесса.

Выводы. На основе развитого специального математического аппарата получено точное аналитическое решение обобщенной третьей краевой задачи теплопроводности с переменными во времени коэффициентом теплообмена и температуры окружающей среды одновременно в трех системах координат. Полученные результаты составляют научную новизну работы и являются новыми в аналитической теплофизике. 

Цели. Статья посвящена проблеме идентификации характеристик тропических циклонов с использованием почти периодического анализа изображений облачной динамики ураганов и прогнозирования структуры циклона на основе полученных значений почти периодов. Цель статьи заключается в применении почти периодического анализа с использованием модифицированного математического аппарата вычислений при обработке и анализе изображений структуры тропического циклона с возможностью осуществления прогнозных оценок.

Методы. Основным инструментом обработки и анализа изображений структуры тропического циклона является почти периодический анализ – анализ данных с упорядоченным аргументом по выявлению зависимостей, близких к периодическим. Использование аппарата почти периодического анализа позволяет проводить выявление критических рубежей изменения тенденций исследуемых данных вне зависимости от априорных предположений. В ходе проведения такого анализа определяется информационный параметр – почти период, соответствующий значениям, наиболее близким к периодам. Предложена модификация известного математического аппарата почти периодического анализа, позволяющая обрабатывать большие и многомерные данные.

Результаты. В ходе исследования на примере анализа кадров динамики тропического циклона Милтон, действующего с 5 по 10 октября 2024 г., выявлены характерные почти периодические значения структурных зон в момент начала формирования динамики развития циклона. На основе выявленных значений составлены прогнозные оценки развития структуры тропического циклона, точность которых составила 95%.

Выводы. Полученные результаты совместно с результатами исследований, опубликованными ранее, позволяют сделать вывод о возможности применения почти периодического анализа к выявлению характерных паттернов структур тропических циклонов и составлению качественных прогнозных оценок динамики развития чрезвычайных ситуаций, вызванных тропическими циклонами. 

Цели. Газотермическое напыление и порошковая лазерная наплавка – перспективные технологии, широко применяемые в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, энергетическую и машиностроительную отрасли. Одним из ключевых аспектов данных технологий является управление тепловыми процессами, возникающими при нанесении покрытий, т.к. они напрямую влияют на качество и долговечность получаемых материалов и изделий. В данной статье рассматривается нестационарная задача теплопереноса при однопроходном напылении на полупространство. Целью работы является моделирование распределения температуры в материальном полупространстве, на границе которого действует движущийся источник тепла.

Методы. Теоретическое исследование распределения температуры на поверхности и в толще обрабатываемого материала в процессе движения головки распылителя осуществлялось путем решения уравнения нестационарной теплопроводности в декартовых координатах. Особенностью уравнения является специальный вид функции плотности мощности источника тепла в виде тепловой полосы, моделирующей процесс теплопередачи от дорожки напыления в материальное полупространство основы детали.

Результаты. В результате исследования полученного решения, представляющего эволюцию во времени температуры в различных точках среды, установлено, что через некоторое время после прохождения импульса нагревания температура внутри среды довольно быстро достигает максимального значения, а затем она относительно медленно релаксирует к равновесной температуре окружающей среды. По мере углубления в толщу среды тепловой импульс расплывается, уменьшается его амплитуда и увеличивается ширина, а время достижения максимума монотонно увеличивается. Поперечное распределение температуры имеет вид симметричных пиков, менее выраженных в глубине.

Выводы. Полученное решение может быть полезным при описании общего температурного поля на некотором удалении от области действия головки распылителя, где конкретные детали нагрева не проявляются. В частности, в работе показано, что в окрестности действия первичной области напыления возникают значительные градиенты температур, которые вызывают заметные нестационарные температурные напряжения. 

Цели. Целью настоящего исследования является разработка метода автоматической количественной оценки параметра гауссовского размытия цифрового изображения, возникающего, как правило, вследствие дефокусировки оптической системы, некоторых других погрешностей вносимых оптической системой и камерой, а также вследствие влияния среды распространения света. Данная задача актуальна для множества прикладных областей, включая дистанционное зондирование, техническую экспертизу, фотограмметрию, медицинскую визуализацию, автоматическую инспекцию и предварительную обработку изображений перед решением задач их восстановления, классификации или распознавания.

Методы. Предложенный метод основан на сравнении двумерной гистограммы градиентов анализируемого изображения с эталонными гистограммами, заранее вычисленными для изображения высокой четкости, обладающего сходной текстурой и масштабом. Эталонное изображение искусственно размывается с различными значениями параметра размытия путем вычисления свертки с гауссовским ядром. Для каждого уровня размытия строится двумерная гистограмма градиентов, отражающая распределение направлений и величин локальных изменений яркости. Сравнение с аналогичной гистограммой обраба- тываемого изображения выполняется после логарифмирования по евклидовой норме. Это дает высокую чувствительность, интерпретируемость и численную устойчивость. Метод не требует выделения резких границ, обучения нейросетей или наличия размеченных данных и может быть реализован с минимальными вычислительными затратами.

Результаты. На синтетических данных показано, что предложенный подход обеспечивает высокую точность: относительная ошибка оценки параметра размытия в диапазоне его значений 0.7–2.0 пикселя составляет менее 5%, а в большинстве случаев не превышает 2–3%. Метод устойчив к шуму, сжатию, локальным артефактам и текстурным неоднородностям.

Выводы. Разработанный подход может применяться в системах автоматического анализа изображений, а также в качестве предварительного этапа в задачах слепой деконволюции. Он отличается высокой точностью, простотой реализации и воспроизводимостью, обеспечивая надежную оценку степени размытия при минимальных требованиях к исходным данным.