Основные результаты
законченных фундаментальных и прикладных исследований
за 2005 год

Механика, машиноведение и управление

Завершена разработка концепции и новых подходов к синтезу высококачественных систем управления сложными многосвязными нелинейными динамическими объектами с неопределенными параметрами. Предлагаемые методы позволяют синтезировать системы управления с элементами искусственного интеллекта, обеспечивающие сложным динамическим объектам (манипуляторам и подводным роботам) высокую динамическую точность перемещения с высокими скоростями по сложным пространственным траекториям в условиях переменности и неопределенности их параметров и параметров воздействий со стороны окружающей среды (Рис. 2). (Филаретов В.Ф., Лебедев А.В., Юхимец Д.А. // М.: Наука, 2005. 270 с.; Филаретов В.Ф. // Проблемы управления. 2006. В печати.)

Рис. 2. Общий вид оригинального механизма управления пространственной ориентацией движителя высокоскоростного и высокоманевренного автономного подводного робота.

Впервые сформулированы общие принципы построения минимаксных алгоритмов прогноза и оценки состояния технических систем в зависимости от уровня имеющегося информационного обеспечения и области применения результатов прогноза. Полученные результаты обеспечивают переход к техническому обслуживанию сложных систем по состоянию в условиях существенной ограниченности и неопределенности исходной совокупности сведений. (Rozenbaum A.N. and Deshner A.I. // Int. Journal of Reliability, Quality and Safety Engineering. August 2005. Vol. 12, № 4. P. 355-363.)

Разработаны оригинальные алгоритмы построения прогностических моделей и принципы формирования информационной базы для решения задач прогноза и оценки состояния технических систем. (Розенбаум А.Н., Кислова И.И., Штанько А.Н. // Транспортное дело России. 2005. № 3. С. 124-125.)

При исследовании движения газа через пористую тепловыделяющую среду обнаружен феномен неограниченного разогрева и расплавления пористого тепловыделяющего элемента при докритических краевых условиях. Решены нестационарные двумерные задачи движения газа через пористые тепловыделяющие элементы плавно сужающейся и ступенчато сужающейся формы. Показано, что в этом случае возможен как переход к устойчивому стационарному режиму охлаждения, так и неограниченный разогрев тепловыделяющего элемента. Показано, что форма тепловыделяющего элемента сильно влияет на процесс его охлаждения. (Луценко Н.А. // Математическое моделирование. 2005. Т. 17, № 3. С. 120-128; Левин В.А., Луценко Н.А. // Горение и плазмохимия. 2005. Т. 3, № 4. В печати; Левин В.А., Луценко Н.А. // Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79, № 1. В печати.)

Показана неоднозначность введения тензора химического потенциала в теории локального химического потенциала. В рамках теории абсолютного химического потенциала дано термодинамически корректное определение тензора химического потенциала для двухфазной модели сплошной среды. Показано, что анизотропия тензора химического потенциала обусловлена только анизотропией тензора напряжений при наличии подвижных и неподвижных компонент. (Гузев М.A. // Журнал физической химии. 2005.Т. 79, № 9. С. 1639-1643.)

Проведено численное моделирование внутренней структуры материала при квазистатическом растяжении. Реализован метод молекулярной динамики для расчета напряженно-деформируемого состояния материала при внешнем воздействии. Выполнен численный анализ динамики изменения макроскопических свойств материала по мере увеличения масштаба рассмотрения и переход на более высокий масштабный уровень. Получено аналитическое решение краевой задачи теории больших упруговязкопластических деформаций о продавливании материала сквозь жесткую цилиндрическую матрицу. (Ковтанюк Л.В. // ДАН. 2005. Т. 400, № 6. С. 764-767.)

Разработана математическая модель деформирования материалов с упругими и сложными реологическими свойствами, отклик которых на растяжение и сжатие неодинаков. (Ярушина В.М // Известия РАН. ДАН. 2005. Т. 403, №2. С. 198-200.)

Предложена и численно исследована схема радиолокационного комплекса для измерения волнообразующих свойств морских судов, позволяющего с высокой точностью дистанционно выполнять сравнительные оценки мореходных качеств корпусов судов. На основе информации о траекториях инерционного движения комплекс позволяет центрам управления движением судов в реальном времени оценивать состояние движительной системы удаленного судна по идентификации характера его движения (инерционный - неинерционный). (Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Гриняк В.М. // Измерительная техника. 2005. №3. С.46-48.)

Проведен анализ состояния проблемы диагностики обмоток трансформаторов на основе их частотных характеристик как нового современного метода диагностики в этой проблемной области. Намечены принципы построения математических моделей обмоток высоковольтных трансформаторов. Оценена сложность требуемой модели и выявлены достоинства модели, состоящей из 2-х частей - низкочастотной и высокочастотной. Выявлены новые соотношения в механизмах погасания частичных разрядов в изоляции обмоток трансформаторов. (Киншт Н.В., Кац М.А. // Электричество. В печати.)

Разработан новый подход к проектированию и управлению скоростными подводными аппаратами только с одним поворотным маршевым движителем, ось тяги которого точно ориентируется в пространстве относительно продольной оси аппаратов с помощью оригинального сферического механизма, одновременно компенсирующего негативный опрокидывающий момент, появляющийся при вращении винта в жидкости (Рис. 5). (Michelini R., Cavallo E., Filaretov V., Ukhimets D. // Proc. of 16 IFAC Congress, Prague, July, 2005. Р. 1-6. CD-ROM; Кавалло Э., Микелини Р., Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 6. С. 98-107; Филаретов В..Ф., Юхимец Д.А. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. № 11.)

Рис. 5. Вид экспериментальной установки с адаптивными и самонастраивающимися системами для высокоточного управления механизмом ориентации движителя подводного робота.

Разработаны алгебраические и дифференциально-геометрические методы для анализа, синтеза и диагностирования нелинейных динамических систем, что позволяет сочетать преимущества обоих подходов. Разработан метод нахождения алгебраических инвариантов нелинейных динамических систем. Получены достаточные условия существования обратной системы и разработан метод обращения нелинейных динамических систем. Предложен новый метод синтеза диагностических наблюдателей для поиска дефектов в нелинейных динамических системах. Это позволяет оперативно и надежно диагностировать трудно выявляемые дефекты в сложных системах. (Шумский А.Е. // Автоматика и телемеханика. 2005. № 8, С. 173-183; Жирабок А.Н., Писарец А.М. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 5. С. 36-45; Жирабок А.Н. // Проблемы управления. 2005. № 1. С. 13-17.)

Разработаны методы и программные средства оценки достоверности результатов измерений параметров с использованием ретроспективной информации. Полученные результаты ориентированы на решение прикладных задач применительно к объектам теплоэнергетики. Новизна подхода заключается в формировании эталонного (диагностического) образа объекта на основании заведомо достоверных результатов измерений и сопоставлении его с информационным образом испытуемой выборки. (Чипулис В.П. // Измерительная техника, М., ООО "Издательский дом "Технологии". 2005. № 5. С. 53-58.)

Разработаны методы обеспечения качества пользовательского интерфейса на основе онтологоориентированного подхода и модель взаимодействия между логикой приложения и ее пользовательским интерфейсом. (Грибова В.В., Клещев А.С. // Информационные технологии, 2005. № 8. С. 58-62; Грибова В.В., Тарасов А.В. // Искусственный интеллект, 2005. Т. 4. С. 457-464.)

Идентифицированы и классифицированы структурные свойства онтологий, обеспечивающие возможность оценивания "научных" онтологий, как создаваемых, так и существующих. (Клещев А.С., Шалфеева Е.А. // Научно-техническая информация, 2005. Серия 2, № 9. С. 16-22; Шалфеева Е.А. // Научно-техническая информация, 2005. Серия 2, № 11.)

Разработан, реализован и экспериментально апробирован параллельный алгоритм решения задач проектирования на выпуклую оболочку конечного числа точек. Доказана его линейная сходимость, вычислительные эксперименты позволяют предположить полиномиальную вычислительную сложность. (Нурминский Е.А. // Журн. Вычисл. Матем. и матем. физики. 2005. Т. 45, вып. 11. С. 1996-2004.)

Предложен подход к описанию напряженно-деформированного состояния образцов горных пород в предразрушающей области, в рамках которого построено решение соответствующей задачи об аномальном деформировании горных образцов и определены феноменологические параметры модели на основе экспериментальных данных. (Гузев М. А., Макаров В. В., Ушаков А. А. // Физико-технические проблемы разработки ископаемых. 2005. № 6.)

В рамках метода молекулярной динамики показано, что случайное распределение областей макроскопического нарушения сплошности низкоразмерной системы частиц определяется их хаотической динамикой. Построенные сечения Пуанкаре показывают разрушение сепаратрисы и возникновение стохастического слоя в ее окрестности в зависимости от выбора параметров потенциала. (Guzev M.A, Borisov Y.S. // The 6 th Asian Computational Fluid Dynamics Conference. Taipei, Taiwan, October 23-27, 2005. Session 6A-1-1, Session 6A-1-3.)

Получено решение краевой задачи теории неустановившейся ползучести и релаксации напряжений в пластине, ослабленной круговым отверстием. (Чуйко В.М., Ярушина В.М. // ПМТФ. 2005. Т. 46, № 4. С. 581-587.)

Информатика

Предложена методика распараллеливания обработки спутниковых данных на вычислительном комплексе МВС1000. Показана принципиальная возможность распараллеливания процесса обработки (независимо от выбранного алгоритма) объемного спутникового изображения с выигрышем по времени в десятки раз. (Aleksanin А.I. and Aleksanina M.G. //Pattern Recognition and Image Analysis. 2005. Vol. 15, No. 2. Р. 487-489; Алексанин А.И., Алексанина М.Г. // Третья всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г. С. 134.)

Разработаны методы повторного использования моделей онтологий предметных областей. (Kleshchev A.S., Artemjeva I.L. // International Journal Information Theories & Applications, 2005. Vоl. 12, № 1; Kleshchev A.S., Artemjeva I.L. // International Journal Information Theories & Applications, 2005. Vol. 12, № 2; Kleshchev A.S., Artemjeva I.L. // International Journal Information Theories & Applications, 2005. Vol. 12, № 3; Kleshchev A.S., Artemjeva I.L. // International Journal Information Theories & Applications, 2005. Vol. 12, № 4.)

Предложена методика распараллеливания обработки спутниковых данных на вычислительном комплексе МВС1000. Показана принципиальная возможность распараллеливания процесса обработки (независимо от выбранного алгоритма) объемного спутникового изображения с выигрышем по времени в десятки раз. (Aleksanin А.I. and Aleksanina M.G. //Pattern Recognition and Image Analysis. 2005. Vol. 15, No. 2. Р. 487-489; Алексанин А.И., Алексанина М.Г. // Третья всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г. С. 134.)

Разработаны концепции оптимизирующих компиляторов, управляемых базами знаний, и компьютерного банка знаний в области преобразования программ. (Клещев А.С., Князева М.А. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2005. № 5. С. 118-127; Клещев А.С., Князева М.А. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2005. № 6. С. 121-130; Knyazeva M.A., Kleschev A.S. // International Journal Information Theories & Applications, 2005. Vol. 12, № 1.)

Проведен сравнительный анализ динамики неэксплуатируемой популяции и популяции, подверженной промыслу с постоянной и переменной долями изъятия. Показано, что при оптимальном промысле с постоянной долей изъятия, численность популяции сохраняется на равновесном уровне при любых значениях модельных параметров, но промысел может привести к изменению генетического разнообразия. Выявлено, что промысел с переменной долей изъятия может вызывать колебания численности. (Brykov Vl. A., Polyakova N. E., Podlesnykh A. V., Golub' E. V., Golub' A. P. and Zhdanova O. L. // Russian Journal of Genetics. Moskow: MAIK "Nauka/Interperiodica", 2005. Vol. 41, № 5. P. 509-517; Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. // Генетика. М: Наука, 2005. Т. 41, № 11. В печати.)

При исследовании влияния добавки случайных величин (шума) в обучающие образы на обобщающие способности нейронной сети (задача томографического восстановления данных, получаемых волоконно-оптической измерительной системой) показано, что в определённом диапазоне средних интенсивностей шума обобщающие способности нейросети оптимальны. Применение этого результата позволяет повысить точность восстановления измеряемых данных. (Denisov I.V., Kulchin Yu.N., Panov A.V., Rybalchenko N.A. // Optical Memory & Neural Networks. 2005. V. 14 (1)/ В печати.)

Исследована разработанная обобщенная дискретная математическая модель динамики численности промысловых популяций. Проведена оценка параметров модели на основании данных учетов численности и промысловой статистики. Модельные ретроспективные прогнозы позволили показать адекватность модели для большинства промысловых популяций. Поставлена и исследована задача оптимизации размера промыслового изъятия из популяции. (Frisman E.Ya., Last E.V., Skaletskaya E.I. // Ecological Modelling. В печати; Фрисман Е.Я., Ласт Е.В. // Известия РАН. Серия биологическая. В печати.)

Физика

Впервые обнаружен обратимый фазовый переход, который имеет место при охлаждении моноатомного слоя Tl на поверхности Si(100). Показано, что в ходе перехода структура поверхности меняется от структуры 2х1 к структуре (6,1)х(0,6) через образование промежуточной несоразмерной структуры с(4х7). Сделан вывод о том, что обнаруженный переход принадлежит к переходам типа "порядок-беспорядок" и обусловлен образованием длиннопериодических поперечных волн в атомных цепочках Tl. (Рис. 1) (Saranin A.A., Zotov A.V., Kotlyar V.G., Kuyanov I.A., Kishida M., Murata Y., Okado H., Matsuda I., Morikawa H., Miyata N., Hasegawa S., Katayama M., Oura K. // Physical Review B 2005. Vol. 71, № 16. P.165307-1 - 165307-4.)

Рис. 1. Серия изображений поверхности Si(100)2х1-Tl, полученных с помощью сканирующей туннельной микроскопии при различных температурах подложки иллюстрирующая обратимый фазовый переход в системе Si(100)2x1-Tl. Видно, что структура 2х1 переходит в структуру с(4х7), а затем в (6,1)х(0,6). Элементарная ячейка показана красным цветом.

Проведено экспериментальное исследование эффективности демодуляции фазы световой волны на динамической голограмме, сформированной в фоторефрактивных кристаллах Bi12TiO20 и CdTe среза (100) под действием световых пучков, полученных путём выделения центральной и периферийной областей в поле излучения многомодового волоконного световода. Выявленные зависимости амплитуды сигнала демодуляции подтверждают наличие оптимума в размере выделяемой области, значение которого соответствует полученным ранее соотношениям. (Romashko R.V., Kulchin Yu.N., Shandarov S.M., Kargin Yu.F. and Volkov V.V. // Optical Review. 2005. Vol. 12, No. 1. P. 58-60; Ромашко Р.В., Шандаров С.М., Кульчин Ю.Н., Буримов Н.И., Лимарев Д.А., Каргин Ю.Ф., Волков В.В. // Известия РАН: Серия физическая. 2005. Т. 69, № 8. С. 1143-1145; Romashko R.V., Kulchin Yu.N. and Kamshilin A.A.. // OSA Trends in Optics and Photonics (TOPS), Photorefractive Effects, Materials, and Devices. 2005. Vol. 99. P. 675-680.)

Проведено экспериментальное исследование эффективности демодуляции фазы световой волны на динамической голограмме, сформированной в фоторефрактивных кристаллах Bi12TiO20 и CdTe среза (100) под действием световых пучков, полученных путём выделения центральной и периферийной областей в поле излучения многомодового волоконного световода. Выявленные зависимости амплитуды сигнала демодуляции подтверждают наличие оптимума в размере выделяемой области, значение которого соответствует полученным ранее соотношениям. (Romashko R.V., Kulchin Yu.N., Shandarov S.M., Kargin Yu.F. and Volkov V.V. // Optical Review. 2005. Vol. 12, No. 1. P. 58-60; Ромашко Р.В., Шандаров С.М., Кульчин Ю.Н., Буримов Н.И., Лимарев Д.А., Каргин Ю.Ф., Волков В.В. // Известия РАН: Серия физическая. 2005. Т. 69, № 8. С. 1143-1145; Romashko R.V., Kulchin Yu.N. and Kamshilin A.A.. // OSA Trends in Optics and Photonics (TOPS), Photorefractive Effects, Materials, and Devices. 2005. Vol. 99. P. 675-680.)

Установлено, что адсорбция атомов Tl на поверхности Si(100)сопровождается переносом отрицательного заряда от адсорбата в подложку и образованием статического диполя, который отвечает за миграцию атомов Tl на поверхности Si(100) в неоднородном электростатическом поле иглы СТМ. Обнаружено четыре упорядоченных фазы в системе Tl/Si(100), а именно три фазы с периодом 2х2 при покрытиях Tl 0,25, 0,50 и 0,75 моноатомного слоя (МС) и фаза с периодом 2х1 при покрытии 1,0 МС. С помощью расчетов полной энергии из первых принципов определено строение этих фаз (Рис. 3). (Saranin A.A., Zotov A.V., Kotlyar V.G., Kuyanov I.A., Kasyanova T.V., Nishida A., Kishida M., Murata Y., Okado H., Katayama M., Oura K. // Physical Review B, 2005. Vol. 71, № 3. P. 035312-1 - 035312-9.)

Рис. 3. Изображение поверхности Si(100)-Tl (80х60 нм), полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии при температуре подложки 120 К. Сканирование происходило горизонтально, снизу вверх. Видно, как в результате электростатического отталкивания атомов Tl происходит переход структуры 2х1-Tl c большим покрытием Tl (более светлые области) в структуру 2х2-Tl с меньшим (более темные области).

Исследовано формирование упорядоченных наноструктур при взаимодействии атомов бериллия (Be) с нагретой поверхностью Si(111)7x7. В частности, были сформированы массивы, имеющие сотовую структуру. Анализ методом СТМ показал, что элементы, составляющие массив, имеют размер, состав и свойства аналогичные тем, что были предсказаны теоретически для нанотрубок Si, легированных Be (Рис. 4). (Saranin A.A., Zotov A.V., Kotlyar V.G., Kasyanova T.V., Utas O.A., Okado H., Katayama M., Oura K. // Surface Science 2005. Vol. 574, № 1. P. 99 - 109.)

Рис. 4. Взаимодействие атомов Be с поверхностью Si(111) приводит к формированию нанотрубок Si, образующих упорядоченный массив