Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2009 год

3. Вычислительная математика, параллельные и распределенные вычисления

Предложена общая адаптивная регулировка шага в алгоритмах фейеровского типа с аттрактантами. Эта регулировка обеспечивает сходимость широкого класса алгоритмов решения (c использованием технологии параллельных вычислений) выпуклых систем уравнений или неравенств, экстремальных задач, вариационных неравенств и пр.
[1] Nurminski E.A. Envelope stepsize control for iterative algorithms based on Fejer processes with attractants // Optimization Methods and Software. 2010. Vol. 25. No. 1 . P. 97-108. (DOI: 10.1080/10556780903151490)

4. Математическое моделирование в науке и технике

Построена серия моделей функционирования водных экосистем и их подсистем. Для фитопланктонных сообществ построены модели динамики численности, учитывающие существенную характеристику - многовидовой характер этих сообществ. Для морских экосистем построены модели, учитывающие принципиальную неопределенность данных об их состоянии и функционировании. Эти модели являются составляющими многомодельного подхода к исследованию функционирования водных экосистем с целью оценки их биопродуктивности под влиянием изменений климата.
[1] Пак С.Я., Абакумов А.И. Математическая модель сезонной динамики биомасс фитопланктона в морской экосистеме // Труды Института системного анализа РАН. Системный анализ проблемы устойчивого развития. М.: ИСА РАН. 2009. Т.42. С. 265 - 272.
[2] Абакумов А.И., Пахт Е.В. Моделирование экологических систем в условиях неопределенности данных // Информатика и системы управления. 2009. №2 (20). С. 3-10.

Для построения композиционных карт температуры поверхности моря на основе данных японского спутника MTSAT-1R (формат HiRID) создана процедура автоматической географической привязки спутниковых изображений. Проведена апробация метода на годичной серии изображений. Полученная точность привязки лежит в пределах размера пикселя. Точность географической привязки важна при построении композиционных температурных карт для получения больших безоблачных участков моря.
[1] Катаманов С.Н. Автоматический метод коррекции географической привязки MTSAT-1R/VISSR изображений с пиксельной точностью // Исследование Земли из космоса. 2009. №3. С. 55-66.

6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Установлено, что эпитаксиальная силицидная фаза Si(111)-(2x2)-Fe обладает полупроводниковыми свойствами с эффективной шириной запрещенной зоны 0.99 эВ, выступает в качестве диффузионного барьера для осажденных атомов железа, способствует формированию псевдоморфного слоя и развитию больших напряжений в приповерхностном слое. Эти напряжения достигают максимума при толщине слоя железа 1.35 нм, что приводит к увеличению эффективной подвижности дырок в приповерхностном слое до 820 см2/В сек (рис. 1), которая в 1.5 раза выше начального значения подвижности для кремниевой подложки.
[1] Goroshko D.L., Galkin N.G., Fomin D.V., Gouralnik A.S., Vavanova S.V. An investigation of the electrical and optical properties of thin iron layers grown on the epitaxial Si(111)-(2 Ч 2)-Fe phase and on an Si(111)7 Ч 7 surface // Journal of Physics: Condensed Matter. 2009. Vol. 21. P. 435801-435809.
[2] Горошко Д.Л., Фомин Д.В., Гуральник А.С., Галкин Н.Г. Электрические свойства двумерных слоев железа на упорядоченных фазах Si(111)7x7 и Si(111)2x2-Fe // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Том 11. №3. С. 353-360.

C помощью метода сканирующей туннельной микроскопии исследованы структурные превращения в системе Cu/Si(111)7x7. Установлено, что при осаждении меди при температурах, вблизи комнатной, происходит формирование упорядоченных массивов магических кластеров (т.е. кластеров имеющих идентичный состав и форму). Эти кластеры метастабильные и в результате отжига необратимо трансформируются в домены двумерного силицида Cu2Si.
[1] Saranin A.A., Zotov A.V., Utas O.A., Kotlyar V.G., Wei C.M., Wang Y.L. Structural properties of Cu clusters on Si(111): Cu₂Si magic family. Surface Science. 2009. Vol.603. P.2874-2878.

Использование буферного слоя двумерного силицида меди на поверхности Si(111) приводит к формированию пленк золота с более гладкой поверхностью и более высокой проводимостью по сравнению с пленками золота, выращенными на чистой поверхности кремния. Удельная поверхностная проводимость образцов с буферным слоем при покрытии золота 13 моноатомных слоев составляет 0,01 См, что приблизительно в три раза выше, чем образцов Au/Si(111)7х7.
[1] Gruznev D.V., Olyanich D.A., Chubenko D.N., Tsukanov D.A., Borisenko E.A., Bondarenko L.V., Ivanchenko M.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Growth of Au thin film on Cu-modified Si(111) surface. Surface Science. 2009. V. 603. P.3400-3403.

Исследовано влияние структуры поверхностных реконструкций на формирование на них наноструктур адсорбатов. Установлено, что при адсорбции атомов Co на поверхности с реконструкцией Si(111)5,55Ч5,55-Cu при комнатной температуре формируется слабоупорядоченный слой металлического Co, при этом исходная реконструкция сохраняется на границе раздела. С повышением температуры в системе Co/Si(111)5,55Ч5,55-Cu происходит разрушение поверхностной реконструкции и формирование ограненных эндотаксиальных островков силицида кобальта с латеральными размерами порядка 15 нм и высотой от 0,5 до 2 нм.
[1] Д.А. Олянич, Д.Н. Чубенко, Д.В. Грузнев, В.Г. Котляр, В.В. Устинов, Н.И. Солин, А.В. Зотов, А.А. Саранин. Влияние реконструкций Si(100)-c(4Ч12)-Al и Si(111)-5,55Ч5,55-Cu на рост Co на поверхностях кремния // Письма в ЖТФ. 2010. Т.36. Вып.3. С.15-21.

В приближении обобщенного градиента теории функционала плотности проведено компьютерное моделирование адсорбции моноатомного слоя Fe на поверхности Si(111). Установлено, что в процессе осаждения происходит перемешивание атомов Fe и Si с последующим замещением атомов Si и формированием силицидоподобного слоя, в состав которого входят домены двух типов: со структурой А8 и В8. Анализ атомного строения формирующегося слоя показал, что на нем можно вырастить как пленки FeSi (со структурой типа CsCl), так и FeSi2 (со структурой типа CaF2).
[1] Алексеев А.А., Куянов И.А., Зотов А.В. Компьютерное моделирование из первых принципов адсорбции монослоя Fe на Si(111) // Журнал Технической Физики = Technical Physics. 2009. Т. 79. Вып. 11. С. 1-5.

Показано, что при псевдопослойном (без перемешивания) росте Co и Fe на монокристаллической подложке Si после поверхностной фазы и монослоя металла идет формирование пленочной нанофазы, а затем - объемной фазы металла. Обнаружено, что верхние слои Si, граничащие с поверхностной фазой, монослоем и 2-мя монослоями Co и Fe, имеют, соответственно, три различных и более высоких, чем в объеме подложки кремния, значений плотности электронной плазмы.
[1] Плюснин Н.И., Ильященко В.М., Китань С.А., Крылов С.В. Формирование, электронная структура и стабильность пленочных нанофаз переходных металлов на кремнии // Поверхность / Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. Наука. №9. 2009. с. 86-98.

Методами дифракции быстрых электронов и атомно-силовой микроскопии изучено влияние дефектов тонкого слоя SiO2 на процессы силицидообразования в системе Fe/SiO2/Si(100). Установлено, что естественный слой SiO2 на поверхности Si(001) является термически и химически стабильным по отношению к потоку Fe в широком диапазоне температур (20-450°С) осаждения, что дает возможность его использования для формирования наноразмерных островков Fe.
[1] Балашев В.В., Коробцов В.В., Писаренко Т.А., Чусовитин Е.А. Влияние дефектов тонкого слоя оксида кремния на процессы силицидообразования в системе Fe/SiO2/Si(001) // Физика твердого тела 2009. №3. С.565-571.

7. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Изучены морфология и физико-химические свойства кремний-органических спикул морских глубоководных губок Hyalonema sieboldi, Pheronema raphanus, Pheronema sp., Cоronema sp., Sericolophus sp., как нового типа 1D фотонно-кристаллических природных биоминеральных структур. Установлено, что важным характеризующим признаком данных биоминеральных структур является различная степень гидратированности оксида кремния по поперечному сечению спикул (рис.2). Обнаружена корреляция между степенью гидратированности различных областей спикулы и их спектральными характеристиками.
[1] А.Н.Галкина, С.С.Вознесенский, Ю.Н Кульчин, А.А.Сергеев. Наноструктурные особенности биокремния морского происхождения // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11. №3. С.310-314.

Исследовано встраивание двумерного силицида магния в кремниевую подложку с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Показано, что при скорости осаждения кремния VSi=0.17 нм/мин и температурах подложки не выше 160-215 оС удается встроить 2D Mg2Si в кремниевую матрицу, состоящую из монокристаллических блоков. Установлено, что встроенный слой силицида магния при температуре роста кремния 215 оС сохраняет хорошее кристаллическое качество в решетке кремнии. Предложен механизм роста кремния методом МЛЭ при температуре 215 оС поверх двумерной силицидной фазы магния со структурой (2/3)sqrt3x(2/3)sqrt3-R30.
[1] Galkin N.G., Goroshko D.L., Galkin K.N., Chusovitin E.A. and Polyarnyi V.O. Silicide nanostructured multilayers in monocrystalline silicon matrix: growth, structure and properties // Rare Metals, 2009, V. 28, Spec. Issue, October, pp. 585-588.
[2] Галкин К.Н., Доценко С.А., Галкин Н.Г. In situ ДОС и ХПЭЭ исследования десорбции и роста в системе Si(111)/2D Mg2Si/Si // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Том 11. №3. С.334-344.

Впервые методом последовательного плазменно-эпитаксиального синтеза на пластинах кремния созданы монолитные наногетероструктуры со встроенными нанокристаллами (НК) дисилицида хрома (Si - НК CrSi2 - Si). Установлено, что на поверхности и внутри покрывающего слоя кремния происходит формирование сначала наноостровков, а затем - нанокристаллов полупроводникового дисилицида хрома (CrSi2) с малыми размерами (10-15 нм) и высокой плотностью заполнения ((2-3) 1011 см-2). Показано, что процесс формирования кремний-силицид-кремниевых гетероструктур сопровождается "всплытием" нанокристаллитов CrSi2 в приповерхностную область покрывающего кремниевого слоя.
[1] Галкин Н.Г., Асташинский В.М., Чусовитин Е.А., Галкин К.Н., Дергачева Т.А., Кузьмицкий А.М., Костюкевич Е.А. Оптические свойства кремний - силицидных наногетероструктур, сформированных методом последовательного плазменно-эпитаксиального синтеза // Журнал прикладной спектроскопии = Journal of Applied Spectroscopy. 2009. Т. 76. Вып. 6. С. 909-915.

8. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики, в том числе достижение предельных концентраций мощности и энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, освоение новых диапазонов спектра, спектроскопия сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики, взаимодействие излучения с веществом

При пропускании фемтосекундных лазерных импульсов с энергией менее 5 нДж через спикулы морских губок обнаружен эффект пространственной самофокусировки излучения, а для энергий около 1 мДж - явление генерации спектра суперконтинуума (рис. 3), а также выявлено наличие брэгговского режима волноводного распространеия излучения в спикулах. Установлена корреляция между степенью гидратированности областей спикулы и их спектральными характеристиками. Доказано, что спикулы морских губок являются 1D фотонными кристаллами c выраженным эффектом чирпованности и значением нелинейного показателя преломления более чем в два раза превышающим его значение для плавленого кварца.
[1] Ю.Н. Кульчин, С.С. Вознесенский, О.А. Букин, А.В. Безвербный, А.Л. Дроздов, И.Г. Нагорный, А.Н. Галкина. Спикулы стеклянных губок как новый тип самоорганизующихся природных фотонных кристаллов. Оптика и спектроскопия, 2009, том 107, №3, с. 473-478.
[2] Yu.N. Kulchin, A.V. Bezverbny, O.A. Bukin, S.S. Voznesensky, A.N. Galkina, A.L. Drozdov, and I.G. Nagorny. "Optical and Nonlinear Optical Properties of Sea Glass Sponge Spicules". In "Biosilica in Evolution, Morphogenesis, and Nanobiology, Progress in Molecular and Subcellular Biology, Marine Molecular Biotechnology" // Eds. W.E.G. Muller and M.A. Grachev // Berlin. Springer-Verlag. 2009. P. 315-340.

Показано, что при оптическом пробое газообразной среды наносекундным лазерным излучением интенсивностью 1011-1012 Вт/см2 из плазменного объема, примыкающего к области фронта ионизации, возникает поток ионизирующего ультрафиолетового излучения много меньше равновесного потока излучения, тогда как степень ионизации на границе фронта оказывается больше, чем в случае с равновесным потоком. Установлено, что с увеличением интенсивности лазерного излучения режим волны световой детонации сменяется режимом быстрой волны ионизации без перехода к сверхзвуковой детонационной волне. Разработан метод спектрально-временного анализа эмиссионного излучения лазерной плазмы для изучения элементного состава газообразных и конденсированных сред в реальном времени.
[1] А.А. Ильин, О.А. Букин, А.В. Буланов, И.Г. Нагорный, С.С. Голик, Е.Н. Бауло. Спектрально-временные характеристики плазмы, генерируемой на поверхности морской воды наносекундным лазерным импульсом // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 07. С. 705-709.

Разработан принцип организации адаптивного интерферометра на основе ортогональных динамических голограмм, формируемых в фоторефрактивных кристаллах кубической симметрии. Установлено, что применение ортогональной геометрии в схеме адаптивного интерферометра (рис. 4) позволяет обеспечить фазовую демодуляцию полностью деполяризованного лазерного излучения и на порядок снизить уровень поляризационного шума. Экспериментально достигнутый минимальный абсолютный порог детектирования изменния фазы составил 1.3х10-8 рад*(Вт/Гц)1/2, что позволяет регистрировать предельно малые колебания объектов с амплитудой менее 0,05 нм в широкой полосе частот (10 МГц).
[1] S. Di Girolamo, R.V.Romashko, Yu.N.Kulchin, A.A.Kamshilin. Orthogonal geometry of wave interaction in a photorefractive crystal for linear phase demodulation // Optics Communications. 2010. V.283. P.128-131.
[2] A.A.Kamshilin, R.V.Romashko, Yu.N.Kulchin. Adaptive interferometry with photorefractive crystals // Journal of Applied Physics. 2009. V. 105. N.3. P. 031101.

9. Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину

Исследован процесс колинеарного низкопорогового нелинейно - оптического взаимодействия световых лучей с разными длинами волн в жидком гетерофазном нанокомпозите на основе наночастиц из Al2O3 (рис. 5). Разработана и экспериментально обоснована физическая модель процесса взаимодействия лучей. Показано, что изменение интенсивности излучения одного из лучей приводит к изменению интенсивности другого с глубиной модуляции до 10 дБ, что открывает возможность создания устройств оптической обработки информации типа "фотоный ключ" или "фотонный транзистор".
[1] Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков А.В., Вознесенский С.С. Взаимодействие коллинеарных световых пучков с разными длинами волн в гетерогенном жидкофазном нанокомпозите // ПЖТФ. 2009. Т.35 Выпуск 14. С.1-8.
[2] Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков А.В. Спектр пропускания света диэлектрическими наночастицами в объемных гетерокомпозитах // ФТП. 2009. Том 43. Выпуск 3. С.349-357.
[3] Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков А.В., Вознесенский С.С. Нелинейно-оптическое взаимодействие излучения с гетерогенными жидкофазными нанакомпозитами // Нелинейные волны' 2008. Под ред. ак. А.В. Гапонова-Грехова. Нижний- Новгород.: ИПФ. 2009. C. 361-381.

Для измерения размеров частиц и исследования физических процессов жидкостях разработан корреляционный метод обработки спекл-картин, возникающих при динамическом рассеянии света малоразмерными частицами. Метод позволяет проводить измерения для нескольких углов рассеяния (рис. 6) одновременно и разделить эффекты преобразования спекл-картин обусловленные поступательным и броуновским движением частиц, а также дает возможность регистрировать влияние неконтролируемых факторов на результаты измерений размеров частиц.
[1] Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ланцов А.Д., Краева Н.П., Корреляционный метод обработки картин динамического рассеяния света малоразмерными частицами основанный на процедуре пространственного усреднения данных // Автометрия, 2010 (принята в печать)
[2] Yuriy N. Kulchin, Oleg B. Vitrik, Alexey D. Lantsov, Natalya P. Kraeva. Features of coherent optical method for studies of nanoscale objects in liquid media. Proc. 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII-2009). Vol.1. Pp.118-122. Saint-Petersburg. Russia. 2009.

Разработан метод мониторинга деформаций изгиба на основе регистрации индуцированных потерь направляемого излучения одномодовых волоконных световодов (ВС). Показано, что уменьшение приведенной частоты ВС (V) до 0,8 позволяет увеличить амплитудную чувствительность волоконного световода к макроизгибу приблизительно в 140 раз по сравнению со стандартными условиями возбуждения одномодового ВС в режиме с V~2,4.
[1] Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.В. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Волоконно-оптический метод мониторинга деформаций изгиба // Фотон-экспресс. Т.78. №6. 2009. С.212-213.

Разработаны физико-математические принципы построения и обработки сигналов одномерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа (рис. 7), основанной на использовании измерительных линий с интегральной чувствительностью и оптоэлектронной ПЗС системы обработки ее спекл-сигналов. Определено максимальное количество измерительных каналов указанной системы, быстродействие системы и погрешность измерения величины деформации исследуемых объектов. Показано применение указанной системы для восстановления 1-D распределения величины аксиального растяжения вдоль выделенного направления на поверхности упругой балки и профиля ее поперечных смещений.
[1] Витрик О.Б. Волоконно-оптические измерительные системы томографического типа // Фотон экспресс. №6. С.73-74. 2009.

Разработан дифференциально-рефлектометрический метод опроса и мультиплексирования сигналов от волоконных брэгговских решеток (ВБР) для квази-распределенных информационно-измерительных систем мониторинга распределений механических напряжений и температур. Метод обеспечивает независимость результатов измерений от мощности зондирующих импульсов, потерь направляемого излучения в подводящих световодах и пр. благодаря применению в составе измерительной системы (рис. 8) стандартного и широкодоступного рефлектометрического оборудования. Реализация данного метода приведет к 4 - 5 кратному снижению стоимости систем мониторинга на основе ВБР.
[1] Кульчин Ю.Н., Шалагин А.М., Витрик О.Б., Бабин С.А., Дышлюк А.В., Власов А.А Дифференциальная рефлектометрия волоконных брэгговских решеток // Фотон-Экспресс. №6. 2009. С. 88-89.
[2] Yuri N. Kulchin, Anatoly M. Shalagin, Oleg B. Vitrik, Sergey A. Babin, Anton V. Dyshlyuk, Alexander A. Vlasov Differential interrogation of FBG sensors using conventional optical time domain reflectometry // Proc. of ISMTII-2009. V.3. 2009. Pp.93-97.

Разработаны принципы построения и исследованы варианты реализации оптоволоконных трактов измерительно-вычислительных систем (ИВС) и комплексов (ИВК) для измерения параметров воды и концентрации растворенных в морской воде органических и неорганических веществ методом индуцированной флуоресценции (рис. 9). Выявлены условия получения высокой эффективности преобразования энергии в двухволоконном датчике флуоресценции. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие возможность передачи оптических импульсов флуоресценции по оптоволокну с широкой числовой аппертурой и через вращающиеся сочленения в широком диапазоне длин волн.
[1] Y.N. Kulchin, S.S. Voznesenskiy, E.L. Gamayunov, A.A. Korotenko G.L. Berezkina. Fiber-optic spectrometer based on the method of laser-induced fluorescence // Abstracts of Asia-Pacific Conference "Fundamental problems of Opto- and Microelectronics", APCOM-2009, September 14-17, 2009. Vladivostok, Russia. CD. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2009.

15. Основы развития и функционирования энергетических систем в рыночных условиях, включая проблемы энергоэффективности экономики и глобализации энергетики, энергобезопасность, энергоресурсосбережение и комплексное использование природных топлив

Разработаны методы и программные средства оценки достоверности результатов измерений и анализа эксплуатационных режимов объектов теплоэнергетики. Новизна методов определяется формированием и дальнейшим использованием для решения задачи регрессионных моделей объектов с учетом их реального технического состояния. Программные средства ориентированы на использование в процессе сервисного обслуживания объектов теплоэнергетики и установленных на них средств измерений.
[1] Кузнецов P.C. К анализу достоверности результатов измерений в задачах учета тепловой энергии // Датчики и системы. 2008. №7. C. 45-47.

19. Общая механика, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов, биомеханика, механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред, а также механика горения, детонации и взрыва

Получены выражения для компонент вектора вихря скорости за ударной или детонационной волной криволинейной формы, распространяющейся в сверхзвуковом неоднородном потоке горючего газа (рис. 10 и 11). Набегающий поток является вихревым с заданным распределением параметров. Показано, что нормальная по отношению к волне компонента вектора вихря остается непрерывной при переходе через поверхность разрыва, а в случае осесимметричных течений непрерывной остается также и величина, равная отношению касательной компоненты вектора вихря, расположенной в плоскости течения, к плотности, хотя по отдельности сами величины терпят разрыв.
[1] В.А. Левин, Г.А. Скопина. Поведение вектора вихря скорости в сверхзвуковом неоднородном закрученном потоке горючего газа за движущейся криволинейной ударной или детонационной волной // Физика горения и взрыва. 2009. №2 С. 68-75. ISSN 0430-6228.

Рисунок 10. График волны детонации R(x) при различных значениях числа Маха для q = 10, γ = 1,4.

Рисунок 11. График завихренности ω φ при q = 10, γ = 1,4 для различных значений числа Маха.

Рассмотрены решения для баротропных захваченных волн в бассейне с плоским дном и прямой вертикальной стенкой. Анализ проведен в рамках линеаризованной системы уравнений динамики океана, с условиями "прилипания" на стенке и на дне, при некоторых "характерных" значениях модельных параметров. Отмечено, что в области длин волн короче радиуса деформации Россби масштаб экспоненциального убывания волны Кельвина существенно уменьшается с уменьшением длины волны. Найдено, что в некотором диапазоне коротких волн существуют два решения типа захваченных волн, движущихся в противоположных направлениях.
[1] Смирнов С.В. О решениях для баротропных захваченных волн с условиями "прилипания" на границах // Сибирский журнал вычислительной математики. 2009. Т.12. № 4. С. 449-463. ISSN 1560-7526

Сформулировано условие вложенности спектральных портретов возмущенного и невозмущенного операторов, позволяющее решать задачи гарантированной локализации их спектров в заданной области, в частности, в левой полуплоскости комплексного пространства при анализе устойчивости линейных стационарных динамических систем.
[1] Кислов Д.Е. Об условиях локализации спектров операторов // Информатика и системы управления. 2009. №1. С.116-120.
[2] Девятисильный А.С., Кислов Д.Е. К задаче гарантированной локализации спектров операторов // Вестник Самарского Государственного Университета. Естественнонаучная серия. Математика. 2008. №8/2. С.158-163.

20. Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, а также трибология

На основе развития теории больших упруговязкопластических деформаций предложены новые корректные постановки краевых задач, связанных с процессами развития и торможения прямолинейных течений. Вычислена скорость продвижения ударной волны разгрузки, распространяющейся по необратимо и интенсивно деформируемому материалу. Указана возможность записи уравнений движения среды за волной разгрузки в перемещениях и получено точное решение одномерной задачи.
[1] Буренин А.А, Ковтанюк Л.В., Лушпей А.В. Переходный процесс торможения прямолинейного вязкопластического течения при мгновенном снятии нагружающих усилий // Прикладная математика и механика. Т. 73. Вып. 3. С. 494-500. ISSN 0032-8235.
[2] Ковтанюк Л.В. О колебаниях тяжелого слоя, вызванных мгновенной разгрузкой развитого вязкопластического течения // Успехи механики сплошных сред: к 70-летию академика В.А. Левина: сб. научн. тр. Владивосток: Дальнаука. 2009. С.322-330. ISBN 978-5-8044-1023-1.

Показано, что нелинейные эффекты при распространении деформаций изменения формы описываются эволюционным уравнением, отличным от нелинейного волнового уравнения Хопфа. Предложен параметрический метод решения этого уравнения и получены точные решения для ряда краевых условий, задающих импульсное воздействие на границе упругой среды.
[1] Рагозина В.Е., Иванова Ю.Е. Об эволюционных уравнениях задач ударного деформирования с плоскими поверхностями разрывов // Вычислительная механика сплошных сред. 2009. Т. 2. № 3. С. 82-95.
[2] Буренин А.А., Рагозина В.Е., Иванова Ю.Е. Эволюционное уравнение для волновых процессов формоизменения // Известия СГУ. Серия "Математика. Механика. Информатика". 2009. Т. 9. Вып. 4. Ч. 2.).

Изучены закономерности пластического течения и формирования полей остаточных напряжений в окрестности твердого микровключения в материале при его эксплуатационных нагрузках по типу "нагрузка-разгрузка". Указан реологический механизм, ответственный за упрочнение или разупрочнение материала при повторяющихся циклических нагрузках.
[1] Ковтанюк Л.В., Мурашкин Е.В. Формирование полей остаточных напряжений у одиночных сферических включений в идеальной упругопластической среде // Известия АН. Механика твердого тела. 2009. № 1. С.94-104.

Получены условия существования и закономерности распространения поверхностей разрывов необратимых деформаций в пластически сжимаемой упругопластической среде. Вычислены скорости распространения возможных поверхностей разрывов. С использованием данных сведений поставлена и численно решена краевая задача об ударе жестким телом по упругопластическому полупространству.
[1] Буренин А.А., Дудко О.В., Семенов К.Т. Об условиях существования поверхностей разрывов необратимых деформаций в упругопластических средах // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50. № 5. С.176-185.
[2] Манцыбора А.А., Семенов К.Т. Одномерная автомодельная задача об ударе жестким телом по упруго-пластическому полупространству // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2009. Т. 9. Вып. 4. Ч. 2. С.136-142.

Предложен алгоритм выделения разрывов при вычислении отклика нелинейно упругой среды на ударные воздействия. С этой целью разработан лучевой метод получения приближенного решения задачи ударного деформирования за поверхностями разрывов деформаций. Лучевые разложения используются в рамках конечно-разностной аппроксимации решения именно для алгоритмического выделения разрывов на каждом временном шаге.
[1] Герасименко Е.А., Завертан А.В. Лучевые прифронтовые разложения решений в качестве средства выделения разрывов в численных расчетах динамики // Журнал вычислительной математики и математической физики 2009. Т. 49. № 4. С. 722-733.
[2] Герасименко Е.А., Завертан А.В., Рагозина В.Е. Об использовании прифронтовых лучевых разложений в динамике деформирования // Прикладная математика и механика. 2009. Т. 73. Вып. 2. С. 282-288.

Получено точное решение краевой задачи о развитии и торможении винтового вязкопластического течения во вращающемся волоке с расчетом упругого отклика после остановки течения и разгрузки. Показано, что корректная постановка краевых задач данного класса при последующем вращении в обратную сторону невозможна без введения поверхностей разрыва скоростей необратимых деформаций.
[1] Буренин А.А., Устинова А.С. Развитие и торможение винтового вязкопластического течения с расчетом упругого отклика после остановки течения и разгрузки // Успехи механики сплошных сред: к 70-летию академика В.А. Левина: сб. научн. тр. Владивосток: Дальнаука. 2009. С. 91-102.

24. Теория систем, общая теория управления сложными техническими и другими динамическими системами, в том числе единая теория управления, вычислений и сетевых связей, а также теория сложных информационно-управляющих систем, групповое управление и распределенное управление

Разработан новый метод определения индивидуального остаточного эксплуатационного ресурса сложных технических систем, позволяющий получать гарантированные по достоверности результаты в условиях дефицита исходных данных. Построено соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение. Применение предлагаемых решений на практике позволит полностью использовать индивидуальный ресурс технических изделий и эксплуатировать их с гарантированной безотказностью, в том числе и за пределами первоначально назначенного (указанного в технической документации на данное изделие) предельно возможного безаварийного срока эксплуатации.
[1] Розенбаум А.Н., Никитин А.И. Определение остаточного эксплуатационного ресурса судовых человеко-машинных систем. //Вестник Астраханского государственного технического университета. Астрахань: АГТУ. 2009. № 2. С.39-44;
[2] Супоня А.А. Определение требований к надежности элементов сложного изделия на этапе проектирования. //Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 2 (95). С. 17-19.

Доказана сходимость алгоритмов оценивания состояния одного класса нелинейных по выходу динамических систем. Показано, что частным случаем таких систем могут быть линейные дискретные динамические системы с неопределенным последействием, для которых задача оценивания нестационарного запаздывания не разрешима с помощью известных методов построения наблюдателей состояния с неизвестными входами. Предложенные алгоритмы оценивания имеют высокую практическую значимость при идентификации возмущений по запаздыванию в транспорте реагирующих веществ в реакционных зонах химико-технологических процессов.
[1] Торгашов А.Ю. Оценивание нестационарного запаздывания линейного дискретного динамического объекта // Автоматика и телемеханика. 2009. №7. С. 58-72.

Разработан метод синтеза многоканальных систем с переменной структурой и эталонной моделью для централизованного адаптивного управления пространственными движениями сложных динамических объектов на основе их полных нелинейных и нестационарных математических моделей с учетом неопределенных воздействий со стороны окружающей среды. Получены условия существования устойчивого режима скольжения и условия устойчивости процессов самонастройки при наличии большого динамического взаимовлияния между всеми каналами управления во время их быстрого движения. Эти условия обеспечивают высокую динамическую точность управления движением при наличии значительных вариаций их параметров без непрерывной идентификации.
[1] Лебедев А.В., Филаретов В.Ф. Система с переменной структурой для централизованного управления движением автономного подводного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. № 4. 2009. С.73-78.

26. Управление движением, управление в энергетических и транспортных системах, управление производством (автоматизация проектирования, автоматизация технологических процессов, логистика), мультидисциплинарная координация и управление в глобальных производственных системах, а также кооперативное управление

Разработаны модели интегрированных инерциально-спутниковых гравииинерциальных (ГИС/GIS) и гравиинерциальных навигационных (ГИНС/GINS) систем для оценки значений напряженности гравитационного поля Земли (GE-поля) (рис. 12) на подвижных объектах; разработан алгоритм апостериорной обработки данных ГИС (ГИНС), использующий вейвлет-преобразование с оригинальной целевой функцией, интерпретирующей проекционное свойство алгоритма.
[1] Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Числов К.А. Гравиметрическая интерпретация трехкомпонентного метода инерциальной навигации // Авиакосмическое приборостроение. 2009. №6. С.8-11.
[2] Девятисильный А.С., Числов К.А. Позиционно-корректируемая гравиинерциальная навигационная система // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №4. С.58-61.

a

b

Сформулированы и систематизированы основные типы моделей управляющей системы продольным движением автомобилей. Выполнено численное моделирование, результаты которого подтверждают эффективность применения разработанных моделей управления для снижения амплитуды путевых колебаний в транспортном потоке. Полученные результаты можно рекомендовать для использования при создании автономных систем управления безопасным движением автомобилей различного назначения.
[1] Девятисильный А.С., Дорожко В.М. Управление безопасным движением автомобиля // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №5. С.46-53.

28. Системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях

Выполнена разработка и проведены вычислительные эксперименты по изучению свойств алгоритма (основанного на методе Монте-Карло) индуктивного формирования баз знаний для онтологии медицинской диагностики. Эксперименты показали, что с ростом объемов обучающих выборок: время работы метода растет почти линейно в достаточно широком диапазоне; внешние оценки метода являются сходящимися и устойчивыми; внутренние оценки метода являются расходящимися. Таким образом, впервые было показано, что существуют методы обучения, которые имеют хорошие внешние оценки и плохие внутренние.
[1] Клещев А.С., Смагин С.В. Некоторые свойства метода случайной расстановки границ периодов динамики // Информатика и системы управления. 2009. №1(19). С. 103-115.
[2] Клещев А.С., Смагин С.В. Экспериментальное исследование свойств метода Монте-Карло для индуктивного формирования знаний в терминах упрощенной онтологии медицинской диагностики // Научно-техническая информация. Серия 2. Информационные процессы и системы. М.: ВИНИТИ РАН. 2009. №7. С. 12-23.

Разработана математическая модель классификации объектов и предложен метод представления и анализа исходной разнородной информации о таких объектах. Метод основан на эквивалентном представлении получающейся дискретной оптимизационной задачи с билинейной целевой функцией в виде линейной задачи бинарного программирования. В качестве прикладной задачи рассматривается проблема оптимального состава групп работников.
[1] Величко А.С. Оптимизация назначения работников в группы // Информатика и системы управления. 2009. № 3. С. 45-51.

29. Системы автоматизации, GALS-технологии, математические модели и методы исследования сложных управляющих систем и процессов

Разработана технология построения полигональных пространственных моделей объектов городской обстановки по некалиброванной последовательности фотоизображений. В рамках технологии предложены оригинальные методы и алгоритмы решения задач калибровки изображений, сопоставления точечных и линейных особенностей на изображениях и трехмерной реконструкции объектов. Разработанное математическое и программное обеспечение может быть использовано при создании систем виртуальной реальности различной прикладной направленности, например, в геоинформационных системах для планирования городской застройки (рис. 13).
[1] Бобков В.А., Роньшин Ю.И., Кудряшов А.П. Калибровка изображений городской обстановки, Информационные технологии и вычислительные системы. №1. 2009. С. 72-83.
[2] Кудряшов А.П. Реконструкция трехмерных сцен городской обстановки. Информационные технологии. №7. 2009. С. 63-68.

В рамках теории динамических макросистем разработана модель оценки потенциала торгового взаимодействия регионов, базирующаяся на совмещении межотраслевого балансового подхода, принципа энтропийного равновесия и концепции универсальных решений интервальных оптимизационных задач. Полученные теоретические результаты использованы для решения задачи моделирования развития экономики регионов Дальнего Востока России.
[1] Величко А.С., Давыдов Д.В. Интервальная энтропийная модель межрегионального производственного баланса // Пространственная экономика. 2009. № 3. C.20-35.

30. Нейроинформатика и биоинформатика, научные основы и применения

Разработана экспертная система с удаленным доступом для диагностики острых конъюнктивитов, как подсистема банка медицинских знаний. При диагностике данные о пациенте пересылаются на многопроцессорную вычислительную систему, где идёт их обработка алгоритмом медицинской диагностики. На основе полученной информации пользователь может просмотреть список подтвержденных и опровергнутых гипотез о диагнозе и причины их принятия или опровержения. Подсистема диагностики была апробирована на 25 реальных историях болезни. В 60% была подтверждена единственная гипотеза о диагнозе, в 4% произошёл отказ от диагноза и в 36% система подтвердила более одной гипотезы.
[1] Москаленко Ф.М., Черняховская М.Ю. База наблюдений в области офтальмологии для банка медицинских знаний // Информатика и системы управления. Благовещенск: Амурский государственный университет. 2009. №2(20) С.40-49.
[2] Москаленко Ф.М., Черняховская М.Ю. Формирование баз знаний о заболеваниях на основе онтологии медицины // Информатика и системы управления. Благовещенск: Амурский государственный университет. 2009. №4(22). С. 200-202.

50. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика

На основе многолетних данных учетных тралений ТИНРО-Центра получены оценки видового разнообразия ихтиофауны различных участков залива Петра Великого, выделенных на основе районирования по двум параметрам: географическим координатам и глубине. Проведено сравнение оценок с данными по концентрации в заливе хлорофилла-a, полученными ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ИАПУ ДВО РАН. Результаты позволяют предположить, что под действием загрязнений в заливе начался процесс перестройки видовой структуры ихтиоценозов.
[1] Ашихмина Е.В. Оценка видового богатства ихтиофауны залива Петра Великого (Японское море) // Естественные и технические науки. 2009. №4 (42). С.80-85.
[2] Ашихмина Е.В. Оценка видового разнообразия ихтиофауны залива Петра Великого (Японское море) // Труды Института системного анализа РАН. Системный анализ проблемы устойчивого развития. М.: ИСА РАН. 2009. Т.42. С. 273-284.

Решена задача оптимизации промысловых изъятий из популяции при условии сохранения ее репродуктивного потенциала (получение максимально возможной прибыли за бесконечный промежуток времени). В качестве базового уравнения, описывающего динамику численности, рассматривалось уравнение Риккера. Промысловое изъятие являлось нелинейной функцией численности. Параметры среды, лимитирующие численность, изменялись в цикле длины два и три. Показано, что при выбранных условиях увеличение интенсивности лимитирования факторами среды приводит к снижению оптимально возможного изъятия.
[1] Ашихмина Е.В., Израильский Ю.Г. Оптимизации промысла популяций при циклическом изменении лимитирующих рост численности факторов среды // Информатика и системы управления. 2009. №2(20). С.11-18.

Исследованы статистические свойства HetEx-метода (оценки эффективной численности производителей по избытку гетерозигот в популяции потомства), основывающегося на том факте, что если количество родителей очень мало, то в популяции потомства наблюдается избыток гетерозигот относительно ожидаемого по формуле Харди-Вайнберга. HetEx-метод применим к ситуации, когда новое поколение производится очень маленьким числом родителей (как может быть у очень плодовитых видов, таких как мидии, устрицы и некоторые виды рыб), а количество родителей можно определить по их многочисленному потомству.
[1] Pudovkin A. I., Zhdanova O. L. and Hedgecock D. Sampling properties of the heterozygote-excess estimator of the effective number of breeders // Conservation Genetics. Springer Netherlands, 2009; doi: 10.1007/s10592-009-9865-5.

Проведено аналитическое и численное исследование эволюционной модели плотностно-зависимого отбора в двухвозрастной популяции. Показано, что генетический состав популяции во многом определяется взаимным расположением приспособленностей гетерозиготы и гомозигот. В свою очередь приспособленности генотипов определяют величину приспособленности зародышей w; , и уже эта величина (w) в паре с коэффициентом смертности старшего возрастного класса (c) определяет характер динамики численности возрастных групп популяции. Рост средней приспособленности зародышей w приводит к дестабилизации сначала численности, а затем и генетического состава возрастных групп популяции.
[1] Фрисман Е.Я., Жданова О.Л. Эволюционный переход к сложным режимам динамики численности двухвозрастной популяции // Генетика. Москва: Наука. 2009. Т. 45. № 9. С. 1277-1286.

65. Эволюция окружающей среды и климата под воздействием природных и антропогенных факторов, научные основы рационального природопользования, использование традиционных и новых источников энергии

Решены задачи оптимального распределения квот при многовидовом рыбном промысле (совместно с ТИНРО-Центром). Установлено, что процедура оптимального квотирования существенно повышает эффективность использования природных ресурсов.
[1] Абакумов А.И., Бочаров Л.Н., Решетняк Т.М. Оптимальное распределение квот для многовидовых промыслов на примере Карагинского промыслового района // Вопросы рыболовства. 2009. Т.10. № 2(38). С. 352 - 363.

После относительно долгого перерыва вулканической активности, наступившего после мощнейшего в ХХ веке извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 г., вновь набирают силу вулканы взрывного типа, способные забросить продукты извержения в стратосферу, где они способны сохраняться длительное время. Совместные лидарные наблюдения, проводимые на станциях сети CIS-LiNet, показали, что не столь уж сильные извержения вулканов Окмок и Касаточи на Алеутских островах в июле - августе 2008 г. стали причиной длительного и заметного возмущения стратосферы на значительных пространствах Северного полушария.
[1] Букин О.А., Павлов А.Н., Столярчук С.Ю., Шмирко К.А. Результаты совместных лидарных наблюдений аэрозольных возмущений стратосферы на станциях сети CIS-LiNet в 2008 г.// Оптика атмосферы и океана. Т. 22. 2009. № 05. С.450-456.

66. Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследований поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы, геоинформатика

Создана распределенная система обработки и поставки спутниковой информации (рис. 14). Она позволяет получать спутниковую информацию, архивировать, проводить первичную и тематическую обработку, поставлять карты и изображения пользователям в автоматическом режиме. Система управляет программно-техническими средствами, которые обеспечивают расчет таких параметров океана и атмосферы, как температура поверхности океана, профили температуры и влажности в атмосфере, характеристики морского льда, осадки, ветер, аэрозоль, концентрация хлорофилла, вегетационные индексы и т.д.
[1] В.А. Левин, Ю.И. Шокин, А.И. Алексанин, И.А. Пестунов, В.В. Смирнов, Ю.Н. Синявский, А.П. Скачкова, И.С. Дубров, М.Г. Алексанина, П.В. Бабяк, А.В. Громов, И.В. Недолужко. Распределенная система сбора, хранения и обработки данных для мониторинга территорий Сибири и Дальнего Востока // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2008 (1). №4. С. 291-314.

Разработан новый метод раздельной верификации объектно-ориентированных программ, являющийся основой для разработки средств анализа корректности параллельных программ. Разработанный метод, по способу описания требований реализует концепцию Design By Contract, а по способу проверки относится к категории Model Checking. Для моделирования программы используются помеченные сети Петри, а в качестве спецификации требований выступают сети Петри, описывающие корректное поведение классов в виде всех допустимых последовательностей вызова методов класса. Предлагаемый метод по сравнению с языками формальной логики существенно упрощают процесс верификации программ.
[1] Харитонов Д.И. Раздельная верификация объектно-ориентированных программ с построением протокола С++ класса в терминах сетей Петри // Моделирование и анализ информационных систем. Том 16. Номер 1. 2009. С. 92-112.
[2] Харитонов Д.И., Шиян Д.С. Анализ процесса распараллеливания программы // Программные продукты и системы. Номер 1. 2009. С. 20-22.