2013 год, №2

Содержание выпуска
МОДЕЛИ СОБЫТИЙНЫХ НЕДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ АВТОМАТОВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ В МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕХАНИЗМА МОНИТОРА
Волчихин Владимир Иванович, Вашкевич Николай Петрович, Бикташев Равиль Айнулович
Стр. 5 — 14
Целью работы является создание методики формального описания алгоритма управления взаимодействующими параллельными процессами при обмене сообщениями между ними, выполняющимися с использованием механизма монитора, кольцевого буфера и типовой задачи «производители-потребители». В основу работы положен метод событийных недетерминированных автоматов (СНДА), позволяющий представить алгоритм управления в простой и компактной форме в виде системы рекуррентных канонических бескванторных уравнений, описывающих все реализуемые в системе управления частные события. Отличительная особенность метода СНДА заключается в том, что система уравнений, представляющая функции переходов в управляющем алгоритме, описывается не в терминах состояний детерминированных автоматов (ДА), а в терминах частных событий недетерминированных автоматов, одновременное существование которых и определяет состояние эквивалентного ему ДА. Так как число частных событий недетерминированных автоматов значительно меньше числа состояний эквивалентных ему ДА, то описание управляющего алгоритма на языке СНДА будет отличаться значительной простотой. Представленная методика формального описания частных событий алгоритма управления передачей сообщений в распределенных и многопроцессорных системах на языке СНДА обеспечивает реализацию основных свойств, которыми должны обладать системы управления: отсутствие тупиковых ситуаций (бесконфликтность) и справедливость (отсутствие бесконечного ожидания и нахождения в мониторе процессов, обращающих к общему ресурсу). Аналитическое представление алгоритма управления взаимодействующими параллельными процессами в виде системы рекуррентных канонических бескванторных уравнений позволяет выполнить простую трансформацию описания алгоритма управления на языки описания аппаратуры (например, VНDL) для верификации алгоритма и его аппаратной реализации.
СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ АППАРАТНОГО СЛОЯ VLIW-АРХИТЕКТУРЫ НА БАЗЕ СИСТОЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Федюнин Роман Николаевич
Стр. 15 — 22
Описывается способ реализации арифметико-логического устройства (АЛУ) специализированных процессоров на базе VLIW-архитектуры. Дается описание функциональных блоков АЛУ для реализации базовых арифметико-логических операций. Показан вариант реализации универсальной ячейки, на базе которой строится вычислительное ядро АЛУ. Приведены примеры вычислительных схем обработки данных АЛУ. Результатом работы являются патентно способные решения, которые нашли практическое отражение в опытно-конструкторских решениях на базе промышленных предприятий г. Пензы. Перспективность решения доказана множеством статей в зарубежной и российской научной прессе и техническими решениями корпораций ХILINХ и АLТЕRА.
МЕТОДИКА РАСПОЗНАВАНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НА ОСНОВЕ РАНДОМНЫХ ДЕРЕВЬЕВ В СИСТЕМАХ РАСШИРЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ
Финогеев Алексей Германович, Четвергова Мария Владимировна
Стр. 23 — 33
Рассматривается технология распознавания особых точек изображений объектов, выделенных в видеоряде для мобильных систем расширенной реальности. Предложена методика определения и сопоставления дескрипторов особых точек на изображениях объектов с дальнейшей возможностью обучения подсистемы распознавания на основе использования леса рандомных деревьев. Проведено сравнительное исследование существующих методик распознавания точечных особенностей, таких как SIFТ, SURF и RIFF, приведены их недостатки. С целью повышения качества методики распознавания объектов с выделенными точечными особенностями на мобильных устройствах предложена методика на основе леса рандомных деревьев. Основная идея методики заключается в распознавании объектов на базе статистики распределения классификатора Байеса о возможных сопоставлениях дескрипторов. Предложены две структуры леса рандомных деревьев: базовая и расширенная. Проведены сравнительные аналитические и экспериментальные исследования существующих и разработанной методик распознавания объектов по детектированным точечным особенностям на основе леса рандомных деревьев. Показано, что использование разработанной методики на базе рандомных деревьев дает лучшую оценку качества распознавания при более высоких требованиях к оперативной памяти и минимальном увеличении времени работы системы.
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ОРГАНИЗАЦИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Снегирев Юрий Владимирович, Тутарова Власта Диляуровна
Стр. 34 — 44
Рассматриваются средства организации параллельных вычислений на ЭВМ. Приводятся отличия параллельной и конвейерной обработки данных. Содержится подробное описание способов обмена данными между параллельно выполняющимися задачами. Выделяется три основных способа межзадачного обмена данными: на основе разделяемой памяти, передача сообщений, механизма обещаний. Механизм разделяемой памяти крайне прост в реализации, обладает высоким быстродействием, но не лишен определенных проблем: состояний гонок и взаимоблокировок. Приводятся описания способов синхронизации параллельно выполняющихся задач: мьютексов, семафоров и различных видов мониторов. Следует заметить, что межзадачный обмен данными в большинстве промышленно применяемых средах программирования реализован именно этим способом. Описаны различные реализации межзадачного обмена данными на основе передачи сообщений. Как утверждают ранние исследователи данного механизма, он, скорее, базируется на физике, нежели на математической логике, теории множеств, алгебре и иных математических дисциплинах Передача данных может осуществляться синхронно и асинхронно. Особое внимание уделено модели акторов как наиболее перспективному и глубоко теоретически и практически проработанному способу. Также приведено описание и других примеров организации межзадачного обмена на основе передачи сообщений: аморфные вычисления, программирование потоками данных и SОАР. Описаны два типа межзадачного обмена данными на основе механизма обещаний: явный и неявный. Для всех описываемых средств организации параллельных вычислений приведены примеры программных реализаций. Например, в pthreads – реализации многопоточной обработки для POSIX-совместимых операционных систем – используется разделяемая память, а в языке Еrlаng – модель акторов. Реализации механизма обещаний существуют для языков Jаvа, LISР и Наsкеll. Делается вывод о том, что способ, которым организуются параллельные вычисления, следует выбирать исходя из следующих критериев: решаемой задачи, используемой среды программирования, возможности или невозможности совмещения сразу нескольких способов.
ОПЕРАЦИОННАЯ СЕМАНТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ IЕС 61499 (ЧАСТЬ 2. ЦИКЛИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫПОЛНЕНИЯ)
Дубинин Виктор Николаевич
Стр. 45 — 58
Международный стандарт IЕС 61499 в области промышленной автоматизации вводит класс систем управления нового поколения, которые характеризуются как разумные реконфигурируемые распределенные компонентно-базированные системы. Стандарт IEC 61499 поддерживает парадигму проектирования на основе функциональных блоков (ФБ). Одной из наиболее важных моделей выполнения ФБ является циклическая модель. Отсутствие точно определенной формальной семантики для циклической модели выполнения может негативно отразиться на качестве проектируемого управляющего программного обеспечения, в частности, это может затруднить проведение верификации и имитационного моделирования систем автоматизации. В работе предлагается синтактико-семантическая модель функциональных блоков стандарта IЕС 61499, действующих в соответствии с циклической моделью выполнения. Определяется общая структура модели, а также работа каждого из модулей. Кроме того, рассматривается формальная модель системной конфигурации и метод ее развертывания, позволяющие понять правила образования систем ФБ на ресурсах и устройствах. Для определения операционной семантики ФБ используется формальная нотация, основанная на модифицированных машинах абстрактных состояний. При этом формальная модель системы ФБ определяет как схему модели, представляющую набор переменных и набор функций для определения значений переменных, так и динамику модели в виде правил изменения этих функций. Особое внимание уделено функционированию составных ФБ и диспетчера, а также взаимосвязи между модулями модели на уровне переменных. Модуль диспетчера определяет порядок запуска ФБ на выполнение и, таким образом, в основном определяет модель выполнения ФБ. Изменение диспетчера автоматически приводит к смене модели выполнения, что позволяет легко изменять семантику ФБ в целом.
ИЗМЕРЕНИЕ ИЗНОСА РЕЗЦА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВНУТРИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Добровинский Игорь Рувимович, Медведик Юрий Тимофеевич, Медведик Михаил Юрьевич, Чапаев Вячеслав Сергеевич
Стр. 59 — 70
Предлагается новый виброакустический метод измерения износа режущего инструмента с использованием трехтактного интегрирования для станков с числовым программным управлением. Виброакустическое устройство, основанное на этом методе, позволяет повысить точность измерения состояния режущей кромки инструмента за счет подавления помех двух некоррелированных между собой частот. Интегрирование производится за два равных первых такта, длительность которых кратна периоду первой сетевой помехи. Поэтому напряжение с частотой первой помехи ω п1 в моменты окончания первых двух тактов будет полностью подавлено. При длительности интервала времени сдвига этих двух тактов, равном половине периода напряжения второй помехи частотой ω п2 (вращения заготовки), к моменту окончания второго такта интегрирования будет подавлено и напряжение помехи этой частоты. В течение третьего такта интегрирования происходит разряд конденсатора обратной связи интегратора напряжением опорного источника. Это реализует преобразование «напряжение – время». Заполняя интервал времени третьего такта импульсами образцовой частоты Т 0, получим цифровой эквивалент N Х напряжения состояния режущей кромки инструмента. Возможность измерения износа инструмента виброакустическим методом подтверждена экспериментальными исследованиями и математическим моделированием акустических полей острого и изношенного резца.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЕМА К САМООЧИЩЕНИЮ
Куликовский Константин Лонгинович, Толокнова Анна Николаевна
Стр. 71 — 80
Определение способности водоема к самоочищению дает возможность перспективного прогнозирования состояния его экосистемы, что важно при решении народнохозяйственных задач. Для определения способности водоема к самоочищению используют метод Еh -метрии, основанный на оценке распределения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка, который является интегральным параметром, комплексно характеризующим способность к естественному самоочищению водоема в целом. Представленный анализ методических погрешностей определения способности водоема к самоочищению методом Еh -метрии позволяет сделать вывод, что для их корректировки необходимым является получение информации не только о распределении окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка, но и о температуре, толщине защитного слоя и угле отклонения внедрения измерительного электрода датчика Еh от вертикали.
ТЕХНОЛОГИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНО-ЗАЧИСТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Липов Александр Викторович
Стр. 81 — 90
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований вибрационной обработки деталей из хрупких материалов. Технологические параметры такой обработки в настоящее время определяются на основании предварительных экспериментальных исследований, что значительно повышает ее стоимость и время проведения. Обрабатываемые материалы разделены на две группы. К первой относятся те, которые являются хрупкими при обычных условиях (реактопласты, твердые сплавы и др.), ко второй – которые перед обработкой следует охлаждать до хрупкого состояния (термопласты и резины). Экспериментальные исследования проведены на вибрационном станке с объемом рабочей камеры 12 дм 3, которая для возможности обработки деталей из термопластов и резин может быть теплоизолирована и герметично закрываться крышкой. Необходимые зависимости получены на основе теорий резания материалов и разрушения полимеров с использованием метода математического планирования. Разработка технологии проведена на примере округления режущих кромок сменных многогранных пластин инструмента, изготовленных из твердого сплава, и удаления грата на деталях из термопластов. Приведены зависимости и рекомендации, позволяющие расчетом определять технологические параметры вибрационной обработки деталей из хрупких материалов, что позволяет значительно сократить время ее проведения без трудоемких предварительных экспериментальных исследований.
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ И УПОРЯДОЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Аверин Игорь Александрович, Губич Иван Алексеевич
Стр. 91 — 100
Принцип действия приборов наноэлектроники в основном базируется на поверхностных эффектах, что обусловливает интенсивное использование для их создания материалов с развитой поверхностью, к каким относится пористый оксид алюминия. Однако до сих пор отсутствует единая теория, объясняющая рост при различных условиях формирования упорядоченной оксидной структуры на алюминии, определяющей выходные параметры приборов наноэлектроники. Проанализированы основные модели формирования гексагонально-упорядоченной структуры оксида алюминия: физико-геомет­рическая; коллоидно-электрохимическая; плазменная и механических напряжений. Исследованы функциональные зависимости влияния условий формирования методом анодирования на параметры морфоструктуры пористого оксида алюминия, включающие диаметры пор и оксидных ячеек. Это позволило выбрать модель образования упорядоченной структуры оксида алюминия с учетом режимов формирования и физико-химических основ порообразования для метода анодирования.
К ВОПРОСУ ОБ АДАПТАЦИИ СТРУКТУРЫ МНОГОМОДУЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Голембиовский Юрий Мичиславович, Костерев Андрей Александрович, Беспалов Николай Николаевич
Стр. 101 — 109
Предметом исследования является параллельная работа автономных однофазных инверторов тока на общую индукционную печь. Тема исследования: анализ переходных и установившихся электромагнитных процессов при оперативной адаптации структуры многомодульного источника питания индукционной печи к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки. Цель работы: повышение эффективности использования силового оборудования, его надежности и срока службы. Исследования проводились с использованием системы компьютерного моделирования РSIМ. Результаты работы: 1) исследован процесс изменения мощности, потребляемой индукционной печью в процессе плавки черных металлов; выделены температурные зоны с отношением потребляемой мощности 2:3:1; 2) разработана компьютерная модель трехмодульной системы электропитания индукционной печи в системе РSIМ; 3) исследованы динамические процессы оперативной перестройки состава параллельно работающих инверторных модулей при изменении величины и характера нагрузки; предложены два варианта стратегии адаптации структуры многомодульного источника питания к изменяющимся в процессе плавки параметрам индуктора. Приведенные в статье результаты исследований могут быть использованы проектными организациями и фирмами для создания новых перспективных источников питания индукционных плавильных установок.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА ТОНКИХ ПЛАСТИН И СТЕРЖНЕЙ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПРИСОЕДИНЕННОЙ МАССОЙ
Кревчик Владимир Дмитриевич, Рудин Александр Васильевич, Кочкин Сергей Вячеславович
Стр. 110 — 119
Описываются оригинальная методика и конструктивные особенности измерительной установки для определения модуля Юнга тонких пластин и цилиндрических стержней методом измерения частоты собственных колебаний колебательной системы с присоединенной массой, образованной из исследуемого образца и дополнительного груза заданной массы. Предлагаемый метод наиболее оптимален для реализации, поскольку он не требует дорогостоящего оборудования, прост в осуществлении и позволяет оперативно и с высокой точностью определять собственные частоты и рассчитать модуль упругости исследуемых образцов. Относительная погрешность измерения модуля нормальной упругости для типичного образца по предлагаемой методике не превышает 2,0 %. Для проверки достоверности определения модуля Юнга на описанной установке были проведены калибровочные измерения частот собственных колебаний опытных образцов с известным химическим составом. Полученные значения модуля Юнга для всех исследованных образцов с точностью до 4 % соответствуют табличным значениям.
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭРЕДИТАРНЫХ СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Бойков Илья Владимирович, Кривулин Николай Петрович
Стр. 120 — 129
Предложен метод идентификации параметров динамических систем, функционирование которых моделируется дифференциальными уравнениями с частными производными дробного порядка по временной и пространственной переменным c начальными и краевыми условиями Для определения параметров к исходной задаче применяется интегральное преобразование Лапласа и искомые параметры определяются методом наименьших квадратов в спектральной области. Предложенный метод применим к дифференциальным уравнениям в частных производных целого порядка, в частности, к эллиптическим, гиперболическим и параболическим уравнениям. Приведены модельные примеры, иллюстрирующие высокую эффективность метода. Предложен метод идентификации параметров динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями с частными производными дробных порядков. Предложенный метод может быть использован в различных предметных областях: информационно-измерительной технике, теплопроводности, химии, астрофизике и т.д.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОСТИ И ОПЕРАТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННЫМИ БЛОКАМИ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Коновалов Владислав Петрович, Макатров Александр Сергеевич, Богданов Сергей Анатольевич, Герастовский Вячеслав Федорович, Куцевалов Александр Тимофеевич, Чаплинский Владимир Степанович
Стр. 130 — 139
Контроль выполнения программы выведения космических аппаратов на рабочую орбиту и оценка функционирования бортовых систем разгонных блоков осуществляется по телеметрической и траекторной информации, принимаемой и обрабатываемой средствами наземного измерительного комплекса, расположенными на территории страны. При этом наиболее ответственные участки включения маршевых двигателей разгонных блоков находятся за пределами радиовидимости наземного комплекса. Рассмотрены вопросы повышения оперативности и глобальности телеметрического и траекторного контроля разгонных блоков ракет космического назначения за счет использования космических систем ретрансляции и навигации, а также возможности применения наземных измерительных комплексов не только для контроля полета, но и для управления перспективными разгонными блоками. Многофункциональная космическая система ретрансляции, создаваемая в России на базе нового поколения спутников-ретрансляторов «Луч-5» и «Луч-4», позволит непрерывно контролировать полет разгонных блоков после отделения от ракеты-носителя на опорной орбите, при их переводе на промежуточную и переходную орбиты на высотах до 2000 км, а также на более высоких участках в зонах диаграмм направленности антенн спутников-ретрансляторов. Орбиты выведения космических аппаратов на высокие орбиты находятся в зоне дискретного радионавигационного поля космических навигационных систем. Для определения параметров таких орбит может использоваться технология, сочетающая определение параметров движения по обсервациям в непрерывном навигационном поле с последующим их уточнением по измерениям в дискретном радионавигационном поле. Совместное использование внешнетраекторной информации, получаемой аппаратурой потребителя космических навигационных систем, и данных инерциальной навигационной системы повышает достоверность работы аппаратуры потребителя космических навигационных систем и точность инерциальной системы. После отработки режимов ретрансляционного контроля разгонных блоков наземный измерительный комплекс может быть преобразован в наземный измерительно-управляющий комплекс, вырабатывающий и передающий на разгонные блоки команды, парирующие отказы и отклонения от программы полета.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
Игнатов Михаил Николаевич, Игнатова Анна Михайловна, Канина Александра Евгеньевна
Стр. 140 — 148
Для идентификации и изучения свойств неметаллических включений в металлах предлагается использовать методы наноиндентирования и растровой электронной микроскопии, поскольку они позволяют получить точные данные о включениях размером менее 100–50 мкм и обеспечивают точность математического моделирования внутренних напряжении в металле, содержащем их. Представлены исследования неметаллических включений в сварных соединениях трубопроводов, доказано, что они представлены не чистыми оксидами, а сложными минеральными фазами, имеют сложную морфологию. Это приводит к тому, что реальная площадь поверхности увеличивается и отличается от теоретической в 2 раза, а это значительно занижает расчетные значения надежности сварных соединений. Рекомендовано использовать полученные данные для более точного моделирования и прогнозирования надежности сварочных соединений.