Preview

Известия Юго-Западного государственного университета

Расширенный поиск
Том 25, № 3 (2021)
Скачать выпуск PDF

Машиностроение и машиноведение 

8-26 96
Аннотация

Цель исследования. Провести исследование процесса формования и консолидации заготовок из механосинтезированных порошков гафнатов европия и церия.
Методы. Был проведен синтез сложных соединений гафната европия Eu2HfO5 и гафната церия Ce2HfO5 из оксидов европия, гафната и церия при помощи механохимического синтеза в планетарно-центробежной мельнице. Частота вращения диска составляла 600 – 900 об/мин и частота вращения барабанов 1000 – 1800 об/мин, при соотношении размольных тел к массе порошковой шихты (35 – 45): 1, в атмосфере аргона. Синтез продолжался 5 – 120 мин.
Результаты. Был проведен рентгенофазовый анализ, показавший образование Eu2HfO5 и Ce2HfO5; а также исследование морфологии частиц полученных порошков, их технологических свойств, гранулометрического состава, формуемости и уплотняемости, а также процесса их консолидации.
Заключение. На основании проведенных экспериментальных исследований, направленных на исследование процесса формования и консолидации заготовок из механосинтезированных порошков гафнатов европия и церия, был выявлен оптимальный режим синтезирования гафнатов церия и европия. Методом механоактивации были получены порошок гафната церия с размерами частиц 30-100 нм, порошок гафната европия с размерами частиц 40-70 нм. При помощи методов РФА, ПЭМ и СЭМ была изучена смешанная структура полученных механосинтезом порошков гафнатов лантаноидов. Были определены технологические свойства механосинтезированных порошков гафната церия и европия, а так же изучена их уплотняемость и формуемость после прессования и спекания. Образцы из порошка гафната европия имеют относительную плотность больше, чем образцы из порошка гафната церия после консолидации при температурах 900-1200 °С и времени изотермической выдержки от 30 до 120 мин. Исследования микротвердости образцов гафнатов лантаноидов после спекания показали, что образцы гафната европия имеют твердость больше, чем образцы гафната церия.

27-40 104
Аннотация

Цель исследования. Одним из путей повышения эффективности систем реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата является применение экзоскелетов, позволяющих обеспечить заданное врачом -реабилитологом движение нижних конечностей по законам, близким к естественной походке. Для получения соответствующих закономерностей в статье рассматривается метод, основанный на построении траекторий движения голеностопного сустава (ГСС) с последующим синхронным определением углов поворота звеньев нижних конечностей на основе численного решения задачи обратной кинематики. Известно, что использование упрощенных законов движения ГСС и стоп без учета антропометрических параметров пациента приводит к формированию неправильной походки и, как следствие, значительному увеличению времени реабилитации пациента. Поэтому, при построении математической модели паттернов движения голеностопного сустава предлагается применять метод видеозахвата выбранных на ГСС и стопе точек-маркеров, с последующей обработкой и аппроксимацией получаемых сигналов с помощью полиномов, что обеспечивает высокую точность воспроизведения паттернов движения. Целью исследования является построение законов движения звеньев экзоскелета по траектории движения ГСС на основе численного решения задачи обратной кинематики.
Методы. Для достижения поставленной цели применяются экспериментальные исследования ходьбы с построением траектории движения ГСС по видеофрагменту, сглаживание и аппроксимация этой траектории и решение задачи обратной кинематики.
Результаты. Предложен метод построения и обработки траектории движения стопы и нахождения кинематических характеристик движения звеньев для создания паттернов движения экзоскелета при походке.
Заключение. Результаты моделирования показали, что предложенные методы построения траектории движения и моделирования походки экзоскелета позволяют с высокой точностью повторить походку человека при проведении реабилитационных процедур.

Строительство 

41-55 83
Аннотация

Цель исследования. Анализ накопленной информации о конструктивных решениях, применённых при строительстве зданий и сооружений из древесины, обеспечивших сохранность элементов конструкции и материалов, и позволяющих длительное время поддерживать их работоспособное состояние. Изучение влияния эксплуатационных воздействий на элементы здания и разработка рекомендаций по восстановлению и обеспечению сохранности зданий и сооружений из древесины, отнесённых к объектам культурного наследия.
Методы. Выявление причинно–следственных связей используемых конструктивных решений и материалов с устранением деградационных процессов в несущих конструкциях на основе камеральной обработки результатов визуально-инструментального обследования.
Результаты. Собраны данные об истории, объёмно-планировочном решении и конструктивном решении объекта культурного наследия. Выявлены причинно–следственные связи защиты несущих конструкций от деградационных явлений в материалах конструкции путём конструктивных и планировочных решений здания храма.
Заключение. Здание храма имеет каноническое объёмно-планировочное решение, позволяющее поддерживать стабильный температурно-влажностный и аэрационный режим эксплуатации несущих конструкций здания в любое время года. Использование бутового фундамента из фосфоритного камня позволяет обеспечить защиту от неравномерных осадок здания, а так же защищает деревянные конструкции от грунтовой влаги. Фосфоритный камень и связующий раствор фундамента гидрофобны. Использована срубовая техника возведения стен с обшивкой доской (шелёвкой) по типу навесного фасада, обеспечивающая проветривание древесины сруба. Обеспечена вентиляция пола, купола и его несущих конструкций. В отделке внутренних стен применены неиспользуемые в настоящее время материалы, надёжно защищающие древесину от атмосферных и биологических вредных воздействий.

56-69 87
Аннотация

Исследована проблематика управления организационной надежностью прединвестиционной фазы промышленного строительства АЭС на глобальных рынках. Актуальность тематики определяется большой неопределенностью при реализации международных инвестиционных проектов АЭС. Это подтверждают факты задержек сроков строительства и увеличение затрат более чем на 60% строящихся атомных реакторов в мире.
Цель исследования: разработка методических подходов и практических рекомендаций по моделированию и комплексному управлению показателями организационной надежности промышленного строительства АЭС на глобальном рынке на прединвестиционных этапах.
Методы. Комплекс системных методических подходов, базирующихся на методах сравнения, анализа, синтеза, моделирования, прогнозирования, экспертных оценок, математической статистики, экономико-математического моделирования, факторного, ситуационного и ретроспективного анализа, метода сценариев, морфологического и логического анализа.
Результаты: авторская методика по моделированию организационной надежности и структуры жизненного цикла промышленного строительства АЭС; особенности и тренды развития данного типа промышленного строительства; рекомендации в области организации промышленного строительства по увеличению надежности возведения АЭС на основе управляемого факторного пространства и многокритериальной оптимизации календарных план-графиков.
Заключение. Выполненные исследования подтвердили актуальность изучения предмета исследования, связанного с решением проблемы повышения организационной надежности промышленного строительства АЭС на глобальных рынках, формируемой и управляемой на прединвестиционных этапах планирования данных типов инвестиционных проектов. При этом основным итогом данных исследований можно считать повышение конкурентноспособности российских дивизионов ГК «Росатом» на международном рынке с увеличением ее текущей доли в 26% (130 млрд.долл.США) до 40-50% на период до 2035 гг. 

Информатика, вычислительная техника и управление 

70-85 96
Аннотация

Цель исследования: исследование гипотезы о возможности изменения вида переходного процесса во время обучения нейро-нечёткой системы вывода, основанной на методе соотношения площадей, и изучения свойств влияния весового коэффициента на её устойчивость.
Методы. Для разработки нейро-нечёткой системы вывода в статье используется аппарат нечёткой логики. При этом входные и выходные переменные описываются треугольными функциями принадлежности, в композиционном правиле использовалась модель импликации Мамдани. При дефаззификации применялась линейная модель отношения площадей. Во время обучения использовался метод обратного распространения ошибки.
Результаты. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что предложенная нейро-нечёткая модель, основанная на методе отношения площадей, позволяет изменять вид переходного процесса, а именно преобразовать колебательный процесс в апериодический (монотонный) процесс. Также в ходе экспериментальных исследований было установлено, что на устойчивость нейро-нечёткой системы вывода в большей степени влияет весовой коэффициент, определяемый при расчете общей площади выходных функций принадлежности. Таким образом, полученные результаты доказывают: во-первых, что предложенная нейро-нечёткая система вывода обеспечивает трансформацию передаточных характеристик, а во-вторых, обеспечивает её устойчивость в заданном диапазоне характеристик весового коэффициента.
Заключение. В статье представлена архитектура адаптивной нейро-нечёткой системы вывода, основанной на линейном методе отношения площадей. Отличительной особенностью предлагаемой архитектуры является использование на входах и выходе нечёткой системы треугольных функций принадлежности. Анализ имитационного процесса её обучения показал, что при обучении с целью обеспечения устойчивости необходимо устанавливать допустимые значения весового коэффициента, численные значения которого, в свою очередь, влияют на трансформацию передаточных характеристик нейро-нечёткой системы вывода. 

86-102 67
Аннотация

Цель исследования. Работа посвящена кругу вопросов, относящихся к задаче Коши на отрезке действительной оси с приложением к исследованию обратной задачи Коши, в которой по эксперимен-тальным или табличным значениям решения дифференциального уравнения оптимально восстанавли-вают вещественные константы – начальные условия. В качестве объекта исследования выбрана информационно-измерительная система, в которой по дискретным значениям функции решения задачи Коши вычисляются приближенные значения начальных условий.
Методы. Для этого решены следующие задачи: разработаны параметры размещения измерительного участка на исследуемом объекте и сетка аппроксимации на измерительном участке. Сформулированы характеристики точности восстановления начальных условий задачи.
Результаты. Предложен экспериментально-расчетный метод определения начальных условий в обратной задаче Коши, основанный на понятии целевой функции регуляризации задачи. Также предложен параметр регуляризации задачи в виде минимального значения функцией Лебега.
Заключение. В результате проведенных исследований рассмотрена реакция метода равномерного приближения начальных условий в обратной задаче Коши на отклонение координат узлов сетки аппроксимации от координат Чебышёвского альтернанса. Приведены графики реакции метода на отклонение шага сетки от оптимального шага.

103-119 67
Аннотация

Цель исследование. Математическое моделирование адаптивной системы управления реабилитационного экзоскелетного комплекса, позволяющей учитывать эффекты взаимодействия человека с исполнительными звеньями приводной системы, в том числе детектировать появление эффекта спастичности. Для достижения поставленной цели авторами работы решаются следующие задачи: разработка концепции человеко-машинного взаимодействия, описание информационной инфраструктуры экзоскелетного комплекса; разработка структуры адаптивной системы управления, позволяющей учитывать взаимодействие человека с роботом в процессе движения; разработка математической модели человеко-машинной системы (ЧМС) и постановка вычислительных экспериментов с целью отработки алгоритмов адаптивного управления при различных условиях, разработка метода детектирования явления спастичности и алгоритма адаптивной системы управления, обеспечивающего безопасность пациента.
Методы. При построении математической модели ЧМС учитываются биомеханические и физиологические свойства объекта манипулирования, механические свойства силовых элементов конструкции, а также особенности работы информационной системы электромеханического устройства. В работе используется математическая модель, представленная системой дифференциальных уравне-ний второго порядка, описывающих динамику совместного движения исполнительных звеньев экзоске-лета и конечности оператора.
Результаты. В ходе численного моделирования получены временные диаграммы изменения углов поворота звеньев экзоскелета и ноги оператора, законы изменения крутящих моментов в шарнирах и усилия на манжетах, характеризующие человеко-машинное взаимодействие при различных режимах и условиях функционирования устройства.
Заключение. На основании полученных результатов математического моделирования функционирования ЧМС сделаны выводы о применимости предлагаемых алгоритмов адаптивной системы управления при различных режимах и условиях функционирования экзоскелетного комплекса, в том числе для реабилитации пациентов с возможностью возникновения спастичности.

120-135 93
Аннотация

Цель исследования. Цель настоящей работы заключается в выявлении преимуществ и недостатков различных кинематических структур (формаций) самореконфигурируемых модульных робототехнических систем в зависимости от типа поверхности, по которой в основном должна перемещаться данная система.
Методы. В работе проведен анализ кинематических структур модульных робототехнических систем относительно их возможностей перемещения, выделены особенности перемещения данных формаций по различным поверхностям, а также особенности применения некоторых формаций. Проведено исследование функциональных возможностей собственной мобильной автономной реконфигурируемой системы на основе рассмотренных формаций.
Результаты. По результатам проведенного исследования были выделены основные структуры модульных робототехнических систем, среди которых наиболее популярными на сегодняшний день являются формации, имеющие цепную архитектуру: «змея», «манипулятор»; «шагающие» структуры: «квадропод», «паук», «сороконожка», а также мобильные структуры «машина», «колесо» и «шар». На основе проведенного анализа были разработаны структуры для собственной модульной робототех-нической системы. При разработке структур были учтены геометрические особенности и кинемати-ческие ограничения ее модулей.
Заключение. Применение результатов анализа позволит лучше адаптировать модульную самореконфигурируемую робототехническую систему к поверхности, по которой перемещается данная система. На выбор той или иной формации модульной системы также оказывает влияние необходимая скорость перемещения по данной поверхности. Наибольшей адаптивностью к различным типам поверхностей обладают шагающие формации, однако они же являются наиболее сложными с точки зрения разработки системы управления

136-151 75
Аннотация

Цель исследования. Целью данного исследования является подбор метода управления распределенной системой, который бы, на основании известных параметров, позволил уменьшить расход ресурсов вычислительных устройств. Под ресурсом информационной системы понимается вероятность безотказной работы (ВБР), которая снижается с течением времени для каждого узла, тем быстрее, чем выше его загруженность.
Методы. Учитывая, что при высокой динамике краевого слоя сети частота реконфигураций системы становится относительно высокой, а необходимость реконфигураций непредсказуема, снижение общего времени, затрачиваемого на реконфигурации, позволяет увеличить время, затрачиваемое на решение функциональных вычислительных задач системы и тем самым снизить загруженность узлов. Время реконфигурации может быть уменьшено как за счет уменьшения времени детекции отказа в распределенной системе, так и за счет уменьшения времени поиска новой конфигурации. В данной работе рассмотрен способ снижения времени детекции отказов. Анализ применимости методов управления системой (централизованный, с распределенным лидером, децентрализованный) производится на основе полученных аналитических оценок времени детекции системой отказа в условиях управления посредством того или иного метода. Численный эксперимент позволяет выделить области параметров систем, где предпочтительно использование метода с распределенным лидером.
Результаты. Основным результатом данной работы является методика выбора способа управления распределенными информационными системами в условиях высокой динамики сетевой инфраструктуры, ориентированная на уменьшения расхода ресурсов вычислительных устройств.
Заключение. Время реконфигурации системы может быть сокращено за счет выбора наиболее подходящего метода управления. Таким образом увеличивается время, отводимое на решение функциональных задач приложения, снижается загруженность вычислительных узлов и, следовательно, повышаются значения ВБР на протяжении горизонта планирования.

152-166 86
Аннотация

Цель исследования: Распознавание коррозии на металлических конструкциях является серьезной проблемой в проведение инспекций промышленных объектов. Существующие подходы к анализу изображений имеют тенденцию использовать все изображения для распознавания участков, поврежденных коррозией, что не подходит как для структурного анализа, так как процент ошибок при таком подходе очень велик. В условиях прогнозирования коррозии по всему изображению возможны ошибки, связанные с прогнозируемой маской не на металлической конструкции. В связи с этим необходимо удалять результаты прогнозирования положительного класса для участков, поврежденных коррозией, но не размещенных на металлической конструкции. Поэтому в данной работе авторы разработали двухэтапный подход к распознаванию коррозии металлических конструкций, тем самым достигая цель – повышение точности распознавания.
Методы. В этой статье мы применяем две модели глубокого обучения, ориентированные на семантическую сегментацию (DeepLabv3, BiSeNetV2) для обнаружения коррозии, которые работают лучше с точки зрения точности и времени и требуют меньшего количества аннотированных образцов по сравнению с другими глубокими моделями, например, Unet, FCN, Mask-RCNN. В работе предложен новый подход к распознаванию металлических участков, поврежденных коррозией, на основе совмещения двух сверточных нейронных сетей для более точного пиксельного предсказания глубинными моделями архитектуры DeepLabv3 и BiSeNetV2.
Результаты. В ходе экспериментальных исследований проводился расчет точности и F1 меры с использованием моделей FCN, Unet, Mask-RCNN, а также предложенного подхода. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что предложенный подход состоящий в совмещении сетей DeepLabv3 и BiSeNetV2 на 3 % повышает точность и F1 меру для алгоритма Unet, на 10% точность и 2% F1 меру для Mask R-CNN и на 12 % точности и 4 % F1 меру для FCN сети. Экспериментальные результаты и сравнения с реальными наборами данных подтверждают эффективность предложенной схемы даже для очень сложных изображений с множеством типов дефектов. Производительность оценивалась на базе данных, аннотированной экспертами.
Заключение. В статье проведен анализ существующих решений в области распознавания металлических конструкций, поврежденных коррозией, и выявлены недостатки существующих решений, основанных либо на детекции очагов коррозии, либо на попиксельной сегментации полного изображения. В данной работе предложен новый подход к распознаванию металлических участков, поврежденных коррозией, на основе совмещения двух сверточных нейронных сетей для более точного пиксельного предсказания DeepLabv3 и BiSeNetV2. Производительность оценивается на базе данных, аннотированной экспертами по метрикам Precision и F1-score

167-180 86
Аннотация

Цель исследования: улучшение параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигнала, в том числе между программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Такое улучшение параметров передачи сигнала с учетом влияния на них электрических и конструктивных параметров многослойных печатных плат (МПП) необходимо для повышения пропускной способности современных высоконадежных реконфигурируемых систем для обеспечения скорости передачи данных до десятков Гбит/c. Обеспечение таких высоких скоростей передачи данных становится возможным за счет использования более широкой полосы частот передаваемых сигналов. Одним из существующих подходов к решению такой задачи является увеличение «физической» частоты передаваемых информационных сигналов до 25-300 ГГц, что является достаточным для достижения требуемых скоростей.
Методы. В данной статье предложен метод оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала на базе определения таких стандартизированных методов анализа параметров передачи сигнала, как JCOM, S-параметров и BER, которые позволяют оценивать высокоскоростные линии передачи связи. Так, для оценки качества цифрового канала связи может использоваться параметр JCOM (the Channel Operating Margin (COM)/JCOM) – стандартизированный метод определения общего показателя качества канала. Для оценки затухания и потерь информационного сигнала в тракте, когда отраженные от неоднородностей копии сигнала воздействуют на оригинал и приводят к его искажению, используются известные методы оценки таких параметров передачи сигнала, как коэффициент отражения S11 и коэффициент ослабления S21 (S-Parameters). Моделирование такого параметра, как интенсивность битовых ошибок Bit Error Rate (BER) происходит согласно методике нормирования и контроля качества G.821/G.826/M2100.
Результаты. На основе оценки таких параметров передачи сигнала, как Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER) были выбраны основные метрики для оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала. Были получены численные оценки параметров передачи сигнала и оценено их влияние на конструктивные параметры высокоскоростных линий передачи сигнала. В частности, для скорости передачи данных менее 25 Гбит/с рекомендуется использовать не менее 1 переходного отверстия между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП. Рекомендуется использовать не менее 2-х переходных отверстий между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП, если высокоскоростная линия передачи сигнала проходит на расстоянии ближе 2,5 см от цепей питания в проекции на слой, где расположены цепи питания.
Заключение. В статье предложен метод расчета параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигналов на базе расчета параметров Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER). В рамках предложенного метода был проведен анализ параметров передачи сигнала, который показал, что при соблюдении «эталонных» значений электрических параметров линии наибольший вклад в искажение сигнала вносят переводные отверстия, затем слои, в которых расположена сигнальная линия, количество экранирующих полигонов между сигнальными слоями и слоями, в которых проходят цепи питания, конструктивные параметры переходных отверстий, а также длина и количество сегментов высокоскоростной линии. Были даны численные оценки минимального количества переходных отверстий и их диаметра, длины сегментов дифференциальных пар. Данные результаты могут быть использованы на этапе пред-проектного моделирования (pre-layout analysis) высокоско-ростных линий передачи сигнала для вычислительных модулей высоконадежных реконфигурируемых систем.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2223-1560 (Print)
ISSN 2686-6757 (Online)