ВЕСТНИК АСТРАХАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

Обсуждается потенциал мемристивных биосенсоров в качестве эффективного и динамичного связующего звена между инженерией и биологией, обеспечивающего прямую и функциональную коммуникацию для извлечения информации о биологических процессах в организме человека. Мемристоры могут быть частью цепочки обработки и, в перспективе, объединять преобразование сигнала с последующей обработкой, действуя как интеллектуальные датчики. Предложены энергоинформационная модель мемристора, описывающая этот нелинейный физико-технический эффект, и параметрическая структурная схема для описания такой нелинейности. Для получения модели нелинейного физико-технического эффекта мемристора в рамках энергоинформационной модели цепей выявлена специальная функциональная зависимость в плоскости «заряд - импульс». Замечено, что мемристивный эффект наблюдается не только в электрических цепях, но также описан для механических, тепловых, диффузионных, оптических цепей, хорошо представленных в терминах энергоинформационной модели цепей. Представленная модель мемристивного эффекта позволит расширить базу знаний системы автоматизированного проектирования, включив паспорта мемристивных физико-технических эффектов. Предложена классификация биосенсоров, основанная на мемристивных эффектах, что позволит дополнить базы знаний системы автоматизированного проектирования паспортами мемристивных физико-технических эффектов в соответствии с этой классификацией и параметрическими структурными схемами мемристивных физико-технических эффектов. Систематизация знаний, основанная на выявлении характеристик и особенностей биосенсоров, а также классификация различных типов мемристоров позволят автоматизировать процесс выбора наиболее подходящего типа мемристора, учитывая требуемые характеристики и особенности биосенсора, что приведет к повышению эффективности синтеза новых конструкций мемристивных биосенсоров.

Цель исследования заключается в разработке web-приложения для систем управления робото-техническими комплексами (РТК) на примере РТК с роботами-манипуляторами МП-11. Структура системы управления включает в себя контроллер на плате Arduino Mega 2560 Pro Mini с загруженной программой низкого уровня и программу верхнего уровня. В качестве программной составляющей выбрано web-приложение. Данный тип приложений состоит из серверной и клиентской части. Обмен данными между ними осуществляется по сети с использованием протокола HTTP. Приложение построено на платформе Microsoft .NET и web-фреймворке ASP.NET WebForms. Web-сервером выступает компьютер, подключенный посредством usb-кабеля к контроллеру и используемый в настоящее время для настольного приложения. Приведено описание web-страниц разработанного web-приложения и его работы, алгоритмов функционирования с указанием особенностей выполнения для данного типа программ. В программе предусмотрен ручной и автоматический режимы работы, а также управление не только РТК, но и его моделью. Данный тип системы управления предполагает многопользовательский режим и передачу по сети, для обеспечения безопасности комплекса разработаны два вида прав пользователей и их аутентификация, а также применена антивирусная защита, используются сетевые настройки защиты от несанкционированного доступа. Гостевой доступ позволяет управлять только моделью роботов, в целях обеспечения сохранности оборудования. Основными преимуществами web-приложения является его кроссплатформенность, т. е. возможность работы на любых устройствах и операционных системах, а также отсутствие необходимости установки.

Организационная структура многоагентной системы (МАС) представляет собой совокупность ролей и связей агентов, компонентов, осуществляющих управление их поведением, а также правил, регламентирующих взаимодействие элементов системы. Эффективность МАС во многом зависит от характеристик применяемой организационной структуры. Существующие решения в данной области обладают значительным недостатком, а именно низкой адаптивностью к изменениям параметров окружающей среды или корректировке условий поставленной задачи, которая заключается в необходимости повторного запуска процедуры синтеза организационной структуры МАС. Проблема автоматической оптимизации организационной структуры централизованных МАС в условиях изменившихся параметров окружающей среды или поставленной задачи особую актуальность приобретает для централизованных МАС, имеющих строгую иерархическую структуру, агенты которой могут быть разделены на два класса - агенты-менеджеры, агенты-подчиненные. Предметом исследования являются методы синтеза организационной структуры МАС. Целью работы является разработка метода оптимизации организационной структуры централизованных МАС в автоматическом режиме. Для достижения обозначенной цели были введены понятия первичного и вторичного ресурса агента, на основе биогеографического алгоритма разработан метод, регламентирующий перемещение агентов-подчиненных между группами в зависимости от степени привлекательности агента-менеджера (зависит от суммы оценок эффективности управляемых им агентов-подчиненных, а также от удаленности от данного агента-подчиненного). Разработанный метод может найти свое практическое применение при реализации следующих задач: обследование или патрулирование (охрана) мобильными роботами инфраструктурных объектов, реализация искусственного интеллекта в компьютерных играх.

Рассматриваются проблемы, связанные с функционированием сложных систем управления в условиях неопределенности входных воздействий, а также существующие подходы к их решению, основанные на использовании методов нечеткого управления, адаптивного управления и интеллектуальных алгоритмов. Для повышения эффективности функционирования объекта осуществляется синтез интеллектуальной системы с нечеткой стабилизацией управления в условиях неопределенности входных воздействий. Применение нечеткого управления позволяет учитывать неопределенность входных воздействий и стабилизировать управление на основе продукционной модели представления знаний, что делает систему более гибкой и устойчивой к изменениям. Динамический выбор оптимального метода дефаззификации с целью нечеткой стабилизации управления обеспечивает результативное функционирование каждой конкретной системы. Рассматривается пример реализации интеллектуальной системы с нечеткой стабилизацией управления силой электрического тока для гальванического процесса при неопределенности следующих входных воздействий: длительности, площади детали, температуры и кислотности электролита. Для подтверждения эффективности разработанной интеллектуальной системы проводится вычислительный эксперимент на примере управления гальваническим процессом нанесения никелевого покрытия в электролите Уоттса с использованием нечеткого вывода по алгоритму Мамдани при треугольной норме и конорме Заде. Полученные результаты показывают, что применение интеллектуальной системы с нечеткой стабилизацией управления приводит к более точному результату (в плане толщины покрытия) по сравнению с самостоятельным использованием наиболее распространенных методов дефаззификации (центр тяжести; медиана; наименьший, центр и наибольший из максимумов).

Технологический процесс изготовления изделий машиностроения с применением металлорежущих станков является структурно сложным процессом. Данный процесс может быть описан совокупностью двух видов действий: рабочий ход, в результате которого происходит изменение структуры и свойств заготовки, и вспомогательный переход, задачей которого является подготовка технологической системы к выполнению рабочего хода. Выполнение вспомогательных переходов не влечет за собой изменения структуры и свойств изделия, но приводит к увеличению трудоемкости его изготовления, поэтому повышение эффективности технологических процессов механической обработки в значительной степени зависит от оптимизации трудоемкости выполнения комплекса вспомогательных переходов. Цель работы: разработать модель оптимизации параметров комплекса вспомогательных переходов для операций механической обработки. Описана структура объекта управления «Технологическая система», в рамках которой определены две подкатегории объектов управления: объект управления «Технологическая оборудование» и объект управления «Быстроизнашиваемая оснастка». Для данных подкатегорий объектов управления представлены гиперграфы изменений их промежуточных состояний. Согласно представленным моделям подкатегория объекта управления «Технологическое оборудование» имеет 4 уровня управления, подкатегория объекта управления «Быстроизнашиваемая оснастка» имеет 3 уровня управления. Для промежуточных состояний объектов управления сформированы перечни единичных и векторных критериев оптимизации. Представлено описание комплекса действий для перехода объектов управления из (i - 1)-го состояния в i-е состояние. Определен перечень параметров управления для каждой подкатегории объекта управления. Использование представленной модели способствует повышению эффективности технологического процесса за счет оптимизации значений параметров комплекса вспомогательных действий на этапе технологической подготовки производства.

Рассмотрена задача управления гальванической ванной по двум критериям: брака с точки зрения неравномерности и микротвердости. Управляющим воздействием является размещение деталей-катодов разной формы и размеров на подвесочном устройстве гальванической ванны. Предложен комбинированный метод, который заключается в многократном решении задачи векторной оптимизации с разными отношениями порядка и с различными свертками критериев, а также методом анализа иерархий и построения области Парето. Разработанная система поддержки принятия решений предоставляет лицу, принимающему решение, разностороннюю информацию о режимах работы объекта и получаемых при этом значениях критериев, величинах взаимных изменений критериев и т. д., что позволяет находить наилучшее, с точки зрения пользователя, компромиссное решение задачи векторной оптимизации.

Представлен автоматизированный алгоритм расчета времени полного цикла работы, стадий термостабилизации и охлаждения реакционной смеси в реакторе, предназначенном для реактора синтеза серосодержащего сорбента, производимого на основе отходов производств металлургии, нефтехимии (сера), эпихлоргидрина (1, 2, 4-трихлорпропан) и целлюлозно-бумажной промышленности (лигнин) для извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов. Использование алгоритмов и программы автоматизированного расчета реактора способствует снижению трудоемкости производственных затрат и себестоимости готового сорбента, повышает надежность расчетов и качество проектных решений. Разработанные алгоритмы и программа включают в себя следующие подпрограммы расчета: физико-химических свойств компонентов реакционной смеси и выбора перемешивающего устройства (пропеллерная трехлопастная мешалка) с учетом вязкости смеси; гидродинамического расчета перемешивающего устройства и теплообмена при нагреве смеси от 20 до 45 °С; теплообмена при термостабилизации и охлаждении рабочей смеси, а также времени полного цикла работы реактора. В основе предлагаемого алгоритма теплообмена при термостабилизации реакционной массы лежит определение температурного диапазона водяного подогрева, компенсирующего тепловые потери. Для этого сформулирована и решена обратная задача теплообмена с неизвестными температурами по горячему теплоносителю, такими, что среднее значение между ними составляет термостабилизируемую величину. Приведен алгоритм расчета процесса охлаждения реакционной смеси в реакторе синтеза серосодержащего сорбента, учитывающий тепловые потери в окружающую среду в объеме 5 %. Разработана программа, реализующая представленные алгоритмы на языке C#, предназначенная для автоматизации расчета реактора синтеза серосодержащего сорбента, предназначенного для извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов.

Рассматривается проблема представления знаний о моделях жизненного цикла программного обеспечения (ПО), необходимость решения которой обусловлена стремительным развитием методологий разработки ПО, отсутствием формальной легко расширяемой модели знаний в этой предметной области и тем, что выбор модели жизненного цикла и соответствующей ей методологии разработки оказывает значительное влияние на успешность программных проектов. Проведен системный анализ основных типов методологий разработки ПО, моделей жизненного цикла и их фаз. Приведены результаты исследования области представления моделей жизненного цикла ПО в виде онтологий. Разработана онтология «Software development life cycle (SDLC)», которая предназначена для представления знаний о различных моделях жизненного цикла ПО, фазах (стадиях) жизненного цикла, присущих различным моделям, и возможности описания повторяемости фаз. Онтология позволяет описывать модели как в рамках прогностических методологий разработки (водопадная, инкрементная), так и в рамках гибких методологий разработки (Scrum, Kanban). Описаны классы, свойства и аксиомы онтологии, на основе которых возможно осуществление формального логического вывода. Онтология SDLC разработана на основе форматов семантического веба (на языке OWL), опубликована в открытом доступе и представляет собой развивающийся, легко расширяемый проект. Это позволит использовать ее любым специалистам в области разработки ПО в практических или исследовательских целях. Также представлена идея программной оболочки, использующей представленную онтологию, которая позволит по заданным параметрам выбрать наиболее подходящую методологию для проекта, что упростит процесс разработки, позволит избежать ряда ошибок и сократит время на разработку.

Описываются предлагаемые модели и методы проектирования, разработки и реализации симулятора виртуальной реальности VR по оказанию первой медицинской помощи для подготовки специалистов подсистемы управления персоналом автоматизированной системы управления производством. Приводится анализ информации о пострадавших на производстве на территории РФ согласно данным Федеральной службы государственной статистики. Разработана структура системы. Предложен новый подход по созданию более реалистичных трехмерных моделей при визуализации в виртуальной реальности, разработка «одежды» для трехмерных моделей людей в виртуальной реальности в программе Marvelous designer и стратегия оптимизации трехмерных моделей при их загрузке в приложение виртуальной реальности. Описан процесс разработки моделей, виды неправильной и правильной топологии модели, виды высокополигональной модели до ретопологии и низкополигональной модели после ретопологии, процесс запекания карты нормалей в Substance Painter и запеченная карта нормалей, модель без и с картой нормалей, процесс настройки света, процесс текстурирования и запекания карт, материалы, состоящие из PBR-текстур и основные карты Albedo, Metallic, Roughness, карты Normal, Ambient Occlusion, Emission и модели с и без текстуры, шейдеры. Разработаны алгоритмы учета реального времени, взаимодействия с трехмерными моделями в режиме реального времени, а также алгоритм работы анимационных объектов в симуляторе виртуальной реальности. Симулятор апробирован при подготовке сотрудников ГБУ г. Москвы «Центр инновационных технологий в сфере досуга и спорта “Прогресс”» и в программе профессиональной подготовки по профессии «Водитель автомобиля», реализованной ГБПОУ «26КАДР» в 2019 г. Описаны положительные результаты внедрения.

Рассмотрена проблема подготовки кадров для цифровой экономики. Отмечено, что для масштабной работы с цифровыми данными требуются высококвалифицированные специалисты, особенно в области информатики и вычислительной техники. Показано, что выпускники вузов, будущая профессиональная деятельность которых связана с обработкой больших массивов слабоструктурированных данных, должны уметь применять сквозные цифровые технологии. Приведен перечень таких технологий с примерами соответствующих субтехнологий. Потребность в подобных специалистах требует разработки новых образовательных программ высшего образования. Указанные программы должны содержать образовательные модули, которые направлены на формирование цифровых компетенций, востребованных в соответствующей приоритетной отрасли экономики. Исследована задача разработки образовательных программ высшего образования, содержащих такие образовательные модули. Проанализированы компетентностные модели выпускников, разработанные вузами, которые включают компетентности, необходимые для цифровой экономики. Обсуждены результаты анализа основных профессиональных образовательных программ, направленных на формирование компетенций по применению сквозных цифровых технологий. Дана оценка готовности вузов по разработке подобных программ, а также приведены типовые замечания по компетентностным моделям выпускников и по актуализированным основным профессиональным образовательным программам.

Целью настоящего исследования является разработка нового метода редукции информации в системах сбора данных технологических параметров, реализованных на базе сетей полевого уровня на основе стандарта ANSI/TIA/EIA-485 для снижения количества избыточной информации, формируемой вторичными преобразователями измерительных приборов на основе показаний первичных преобразователей, транспортируемой в сетях передачи данных и хранимой в устройствах хранения. Для решения указанной задачи предлагается применение нового метода обработки исходных данных на этапе дискретизации при помощи модифицированного микропрограммного обеспечения встроенной микро-ЭВМ вторичного преобразователя измерительного прибора. В основе предлагаемого метода - выбор из ряда исходных дискретных величин такого количества дискретных значений (опорных точек), относительно которых существует возможность описания остальных значений каким-либо математическим способом с контролем точности восстановления значений расчетным путем на каждом шаге с последующим отбрасыванием элементов ряда, не являющихся опорными точками (редукцией). С целью проверки изложенного метода разработан способ снижения избыточности информации в сетях полевого уровня с сохранением требуемой точности измерений на базе линейной аппроксимации. Программная реализация разработанного способа показала его применимость для редукции данных в системах реального времени в потоке преобразования дискретных величин исходного сигнала. Разработанный способ, основанный на предложенном методе, обеспечивает значительное сокращение объема избыточной информации, тем большее, чем более равномерны изменения величин значений исходного ряда. Это позволяет сократить количество хранимых дискретных значений, снизить нагрузку на сетевые коммуникации систем реального времени, обеспечить возможность опроса большего количества устройств, подключенных к сети полевого уровня шинной топологии без изменения скорости обмена данными.

Рассматривается обработка деталей на станках токарной группы с использованием средств автоматизации как сложный процесс, зависящий от свойств динамической системы (ДС) станка. Колебания, возникающие при обработке ответственных деталей, определяют динамическое качество станков, качество поверхностного слоя и стойкость режущего инструмента, поэтому необходимо выявить способы управления технологическим режимом. Повышение производительности процесса обеспечивается форсированными режимами резания, которые могут привести к ухудшению качества обработки и преждевременному износу режущего инструмента. Теоретическое определение рациональных режимов резания вызывает определенные трудности, поэтому экспериментальный поиск решения поставленной задачи наиболее актуален. Для выбора рациональных режимов резания на станках токарной и шлифовальной групп в качестве наиболее информативной характеристики предлагается использовать запас устойчивости ДС станка, который следует определять из передаточной функции ДС с применением автокорреляционной функции (АКФ) колебаний. Условием идентификации ДС станка является предварительная идентификация АКФ, что можно реализовать, используя записи колебаний при резании. Предварительно осуществляется фильтрация колебаний, чтобы исключить низкочастотный диапазон, содержащий частоты, вызванные колебаниями элементов станочной системы, и оставить частоты, связанные с процессом резания. Режимы резания назначаются по наибольшему значению запаса устойчивости, что обеспечивает высокое качество поверхности. Имеется однозначная аналитическая связь показателя колебательности и коэффициента затухания АКФ, что позволяет вычислить именно коэффициент α, по значению которого можно оценить запас устойчивости ДС на различных режимах резания и выбрать наиболее целесообразный. Исследование вибраций станков для обработки высокоточных деталей позволяет соответствующим образом управлять технологическим режимом, используя уровень вибраций как один из показателей его качества.