Отчет о работе программы в 2010 году Институты-исполнители
| Вид материала | Отчет |
- Отчет о работе программы в 2009 г. Институты-исполнители, 399.55kb.
- Отчет главы сельского поселения горское о работе в 2010 году, 176.04kb.
- Отчет о работе Каменского педагогического колледжа в 2010-2011 учебном году, 1933.63kb.
- Отчет о проделанной работе в 2010 -2011 учебном году. Кабинет логопедии чекаленко, 77.06kb.
- Публичный отчет за 2010 2011 учебный год Государственного образовательного учреждения, 584.65kb.
- Отчет о работе ннб за 2010 год библиотечные проекты и программы 2010 года, 547.44kb.
- Отчет о научно- методической работе в 2010-2011 учебном году Зам директора школы, 982.26kb.
- Программы развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального, 679.24kb.
- План работы Совета Школы на 2010-2011 учебный год 1-е заседание (август), 389.13kb.
- Информационный отчет о работе Псковского академического театра драмы им. А. С. Пушкина, 28.62kb.
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
Приоритетное направление IV.29.
Системы автоматизации, CALS-технологии, математические модели и методы исследования сложных управляющих систем и процессов
Программа IV.29.1.
Теоретические основы и методы информационных и вычислительных технологий проектирования и принятия решений
ОТЧЕТ
о работе программы в 2010 году
Институты-исполнители:
Институт вычислительных технологий СО РАН
Институт вычислительного моделирования СО РАН
Институт динамики систем и теории управления СО РАН
Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН
Международный научный центр исследований экстремальных состояний организма при Президиуме КНЦ СО РАН
Координаторы программы:
академик РАН _____________ Ю.И. Шокин
член-корреспондент РАН _____________ В.В. Шайдуров
2010
Проект IV.29.1.1. Математическое моделирование в задачах анализа, проектирования и оптимизации технических систем и технологических процессов. Институт: ИВТ СО РАН, научный руководитель: д.ф.-м.н. С.К. Голушко.
Методы математического моделирования в задачах аэро- и гидродинамики с учетом переходных процессов и турбулентности. Для численного решения уравнений Навье - Стокса вязкой несжимаемой жидкости в произвольных криволинейных координатах дано обобщение на трехмерный случай разработанной ранее разностной схемы второго порядка аппроксимации, основанной на расщеплении исходных уравнений по физическим процессам и пространственным переменным.
Построены высокоточные схемы с улучшенными свойствами устойчивости для моделирования автоколебательных течений сжимаемого газа с переходными режимами. Численно подтверждено предположение о возможности генерации автоколебаний в газовых течениях при взаимодействии возмущений, порождаемых контактным разрывом в результате неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, с течением в окрестности точек пересечения двух ударных волн или ударной волны и контактного разрыва.
Исследованы параметры течений и получены основные закономерности сверхзвуковых течений вязкого газа в канале при вдуве газа с части поверхности при различных числах Маха и Рейнольдса. Изменение параметров набегающего потока приводит к значительной перестройке течения внутри канала, возникновению локальных отрывных зон и других особенностей (рис. 1).
Рис. 1. Структура течения газа в канале при различных значениях числа Маха.
Выполнено численное моделирование эволюции ламинарных и турбулентных локальных возмущений в условиях, когда волновая картина течения характеризуется возникновением уединенных волн. Полученные численные модели впервые позволили исследовать характеристики течения в пикноклине на временах, сопоставимых со временем вырождения турбулентности в области смешения.
Создание моделей и методов решения сопряженных задач гидродинамики, упругости и композитных сред. Предложено два параллельных алгоритма для решения задачи автоматического оптимизационного проектирования элементов турбомашин. Предложены постановки и методы решения задач численного моделирования пространственных течений в турбомашинах. Исследовано ускорение счета на различных кластерах на примере расчета нестационарного течения (рис. 2) в турбине ГЭС Платановрисси (Греция).
Разработан эффективный метод решения объединенной системы сильно нелинейных систем уравнений, возникающей при решении связанной задачи гидродинамика – прочность процесса гидроразрыва пласта. В модели совместно решаются задачи течения жидкости внутри трещины гидроразрыва, деформации породы, распространения трещины и выбора направления ее распространения. Течение жидкости описывается одномерными нестационарными дифференциальными уравнениями неньютоновской жидкости; напряженно-деформированное состояние породы – двумерными уравнениями статического равновесия, записанными в интегральной форме; критерии распространения и выбора направления – соотношениями на коэффициенты интенсивности напряжений.
Рис. 2. Распределение интенсивности напряжений в прототипе и оптимизированной лопатке.
Разработка общих принципов расчёта, проектирования и оптимизации технических систем и технологических процессов. Для решения нелинейных задач механики композитных пластин и оболочек разработаны и реализованы программно новые алгоритмы решения плохо обусловленных краевых задач, создан ряд модулей для вычисления различных параметров моделей.
С целью автоматизации коррекции устойчивости и точности решения созданы алгоритмы метода дискретной ортогонализации и реализован комплекс программ, эффективность которого исследована на расчетах напряжённо-деформированного состояния круглых слоистых пластин в рамках теории, учитывающей деформации поперечного сдвига.
С использованием созданных программ решен ряд актуальных задач анализа напряженно-деформированного состояния композитных пластин и оболочек, исследованы особенности применения различных моделей.
В целях исследования влияния неоднородности структуры высокочастотного разряда на скорость и однородность травления образцов в плазмохимическом реакторе разработан численный алгоритм моделирования высокочастотного разряда в гидродинамическом приближении.
Аналитически и численно исследована линейная устойчивость сдвиговых течений колебательно возбуждённого сжимаемого молекулярного газа, в котором релаксация колебательных мод описывается уравнением Ландау-Теллера. На основе энергетических интегралов линеаризованной системы для возмущений получены необходимые и достаточные условия устойчивости невязкого свободного сдвигового течения, в верхней комплексной полуплоскости выделена область значений фазовых скоростей неустойчивых возмущений, что обобщает аналогичные результаты для идеального сжимаемого газа.
Проект IV.29.1.2. Информационно-вычислительные технологии для анализа и проектирования сложных систем в ближнем космосе. Институт: ИВМ СО РАН, научный руководитель: чл.-корр. РАН В.В. Шайдуров.
Математические модели в разреженной плазме. Проведено исследование динамики лазерного охлаждения ионов и их структуризация в разреженной плазме с использованием метода броуновской динамики. Из полученных результатов следует, что оптимальный по времени режим достижения конечного упорядоченного состояния ионной подсистемы может заключаться в использовании нескольких последовательных лазерных импульсов, в промежутках между которыми успевает происходить быстрая частичная «кристаллизация» плазмы.
В рамках формализма квазиклассической матрицы плотности в представлении Вигнера построена математическая модель механического действия полихроматического света на атомы (ионы) с триподной конфигурацией атомных переходов. Впервые продемонстрирована возможность длительной трехмерной локализации (в сверхглубоких потенциальных ямах) и субдопплеровского охлаждения атомов с триподной конфигурацией переходов посредством воздействия выпрямленных градиентных сил. Рассмотренная диссипативная оптическая ловушка для атомов не требует использования неоднородного магнитного поля как в широко используемых магнитооптических ловушках.
Математическое моделирование электромагнитных явлений в атмосфере и ионосфере. Создана трехмерная стационарная модель электропроводности атмосферы, Проанализированы электрические поля и токи, проникающие из ионосферы через атмосферу до поверхности Земли. Моделирование показало, что выделение проникающих полей, к сожалению, невозможно, поскольку их напряженность на несколько порядков меньше, чем напряженность обычно существующих в ионосфере полей иной природы. Поэтому невозможно использовать для выявления предвестников землетрясений измерения электрического поля со спутников, летающих на небольших высотах, вместо того, чтобы создавать плотную сеть наземных станций, измеряющих вариации электрического поля непосредственно в приземном слое атмосферы.
Совместно с Институтом космических исследований Австрийской академии наук получены результаты численного магнитогидродинамического моделирования нелинейной стадии неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в ионосфере планет. Начальные возмущения задавались на фоне одномерных равновесных профилей скорости, плотности, давления и магнитного поля. На основе численного решения начально-краевой задачи для идеальных уравнений магнитогидродинамики выделены три стадии развития волн Кельвина-Гельмгольца, в том числе нелинейные (рис. 3, 4).
 |  Рис. 4. Область неустойчивости в случае обтекания солнечным ветром ионосферы планеты, не имеющей собственного магнитного поля. Обтекаемая граница показана штриховой линией. |
| Рис. 3. Распределение плотности на различных стадиях развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца: a – начальное состояние; b – линейная стадия; c и d – нелинейная стадия. |
Экспериментальное исследование применения нанопорошков для повышения качества металлоизделий. Найдены эффективные параметры никелевых и кобальтовых лигатур-модификаторов для широко используемого алюминиево-кремниевого сплава АК12. Результаты испытаний показали, что механические свойства имеют высокие и стабильные значения во всем временном интервале разливки после введения модификатора как в случае модифицирования никелем, так и кобальтом, однако при модифицировании кобальтом их значения превосходят в среднем значения свойств при модифицировании никелем, но в обоих случаях механические свойства превышают требования ГОСТ 1583-93.
Найдены эффективные параметры технологического процесса дисперсионного упрочнения алюминиевых сплавов при литье полунепрерывным способом. Поставленная цель достигается введением наночастиц оксида алюминия Al2O3 в лунку кристаллизатора в объеме прутка, отпрессованного из гранул одноименного сплава. Испытания механических свойств прутков показали, что прочностные свойства оказались выше, чем при введении в расплав гранул в неспрессованном состоянии, а также выше свойств прутков, отпрессованных из слитков, в которые не вводили ни гранулы, ни отпрессованные из гранул прутки.
Математическое моделирование тепловых режимов приборов космических аппаратов. Разработана математическая модель теплового режима приборного блока (модуля специальных нагрузок) космического аппарата на основе сотопанели, содержащей тепловые трубы, гипертеплопроводящие пластины и электрические нагреватели. Модель основана на численном решении системы нестационарных уравнений теплопроводности, с ее помощью исследовано влияние различных технических решений на тепловой режим модуля целевого назначения (рис. 5).
 |  |
| Рис. 5. Распределение температуры на внутренней поверхности сотопанели. | Рис. 6. Распределение температуры в плоскости фазового перехода. |
Разработана математическая модель теплового режима бортового стандарта температуры, который предназначен для обеспечения высокостабильной температуры на борту космического аппарата. В основе его работы лежит принцип стабильности температуры на границе раздела фаз рабочего вещества. Модель базируется на численном решении двумерной задачи Стефана в цилиндрической системе координат. Проведено моделирование функционирования бортового стандарта температуры в рабочем режиме и режиме запуска, определена динамика температурных полей и фазовой границы.
Вычислительные эксперименты показали (рис. 6), что рассматриваемая конструкция и алгоритм работы бортового стандарта температуры обеспечивают заданную стабильность поддержания температуры ± 0.01С.
Проект № 29.1.3. Имитационные модели и информационные технологии
автоматизации исследований и принятия решений при обеспечении техногенной безопасности. Институт: ИДСТУ СО РАН, научный руководитель: д.т.н. А.Ф. Берман.
Иерархическая дискретно-непрерывная информационно-логико-математическая имитационная модель, отражающая закономерности изменения технического состояния реактора технологической линии производства полиэтилена. Поведение параметров описывается на основе агрегации знаний и функциональных зависимостей, заданных в виде продукций и моделей соответственно. Модель описывает динамику таких нежелательных процессов, как коррозионное растрескивание, истечение взрывопожароопасного вещества и взрыв.
Новый метод декомпозиции объекта исследования, основанный на моделях декомпозиции структуры объекта, жизненного цикла объекта, состояний объекта, процесса изменения состояний. Метод декомпозиции синтезирует набор моделей декомпозиции, представленных информационными уровнями взаимосвязанных и взаимообусловленных параметров состояний, классами динамики состояний на каждом информационном уровне, моделями декомпозиции жизненного цикла и структуры объекта, и обеспечивает решение проблем и задач некоторой совокупностью научных отраслей и дисциплин (рис. 7).
Рис. 7. Обобщенная содержательная модель декомпозиции объекта исследования.
Интеллектуальная программная система, автоматизирующая алгоритм анализа отказов механических систем на основе прецедентов. Интеллектуальный планировщик позволят на основе модели динамически сгенерировать план (используя правила), согласно которому будет проведен анализ отказа с помощью прецедентной экспертной системы.
Язык спецификаций и инструментальное средство, позволяющее задавать структуру, алгоритмы функционирования, осуществлять мониторинг и прогнозирование состояний объекта, на основе цветных сетей Петри. Синхронизация функционирования модифицированной модели и сложного технологического комплекса за счет специального программного обеспечения позволяет осуществить своевременную реализацию управляющих воздействий для восстановления нормальных значений критических параметров технологического процесса и тем самым повысить безопасность эксплуатации сложного технического комплекса.
Исследовательская версия интеллектуальной программной системы имитационного моделирования динамики состояний сложных механических систем. Разработаны алгоритм и исследовательская версия системы имитационного моделирования, основанная на технологии компонентной сборки и информационно-логико-математической модели динамики технического состояния. Структурные элементы моделируемой системы реализованы в виде агентов. Поведение агентов определяется на основе экспертных знаний, аналитмоделей и методов группового выбора (рис. 8).
Рис. 8. Алгоритм имитационного моделирования.
Проект IV.29.1.4. Математические модели и технология построения интегрированных программно-аппаратных комплексов восприятия, анализа и отображения многопотоковых данных, управления динамическими системами и принятия решений. Институт: ИАиЭ СО РАН, научный руководитель: д.т.н. Киричук В.С.
Выделение движущихся биологических объектов. В рамках совместной работы с Институтом цитологии и генетики СО РАН предложена новая модель активности животных в этологических тестах, разделяющая движение животных на два класса: активность и покой. Разработаны алгоритмы классификации данных трассировки выделенных подвижных объектов, которые обеспечивают классификацию с меньшими ошибками, чем существующие ранее алгоритмы.
Детектор оставленных предметов. Предложен новый алгоритм обнаружения оставленных предметов, основанный на анализе пространственно-временных характеристик, работоспособный на черно-белых изображениях, при временных перекрытиях оставленного объекта, и имеющий невысокую вычислительную сложность. Разработка такого детектора важна для общественной безопасности в местах розничной торговли, парковок транспорта, в аэропортах, подземных переходах, на станциях, вокзалах, в фойе зданий (рис. 9).
 |  |  |
| а | б | в |
Рис. 9. Обнаружение оставленного предмета: кадры исходной последовательности (а – человек оставляет рюкзак, б – человек уходит от рюкзака); в – результат обработки (оставленный рюкзак)
Получение изображения высокого разрешения движущихся объектов. При регистрации движущихся объектов возникают геометрические искажения в изображении объектов. Предложен алгоритм повышения частоты дискретизации путем совместной обработки геометрически искаженных изображений с учетом импульсного отклика регистрирующей системы, который обеспечивает двукратное снижение ошибок реконструкции по сравнению с ранее предложенным способом, основанным на межкадровой интерполяции (рис. 10).
 |  |  |
| А | б | в |
| Рис.10. Восстановление изображения высокого разрешения: а – один из серии исходных кадров, б – результат межкадровой интерполяции, в – результат восстановления | ||
Восстановление цифровых сигналов и изображений, базирующееся на представлении исходных данных в виде случайного процесса. Получено точное представление для отсчетных функций при неравномерной дискретизации периодического сигнала и его производных. Найденные соотношения позволяют построить аналитический ряд Фурье для периодического сигнала, исходя из данных о нем (и синхронных значениях его производных), регистрируемых в процессе неравномерной дискретизации.
Полученные аналитические соотношения дают возможность легко перейти к равномерным совокупностям отсчетов, что упрощает спектральный анализ и при необходимости позволяет осуществить компенсацию линейных искажений сигнала.
Исследование геометрии и структуры визуального пространства на трехмерных ретиноидах Трегуба. Рассмотрена нейронная структура, способная строить стерео-бинокулярное визуальное пространство. Показано, что геометрия такого пространства соответствует ренессансной перспективе, наблюдаемой циклопическим глазом.
Нейронная структура кратковременной памяти – двумерный ретиноид Трегуба – обеспечивает константность зрительного поля, в котором постоянные изменения сетчаточных изображений, вызываемые вращениями глаз, не представлены в восприятии.
Метод синтеза управления нелинейными динамическими объектами. Предложен метод синтеза управления неустойчивыми нелинейными динамическими объектами типа двухколёсных транспортных платформ с высоко расположенным центром тяжести, основанный на организации вынужденного движения вдоль желаемой траектории в пространстве состояний системы.
Автоматизированная система диспетчерского управления. На основе предложенных принципов построения интеллектуальных автоматизированных систем управления технологическими процессами для объектов с повышенной тяжестью последствий при авариях разработана автоматизированная система управления движением поездов на станции «Золотая нива», обладающая прозрачностью программного обеспечения, высокой надёжностью и живучестью, поддерживающая контроль, документирование и архивирование действий персонала, функции ассистента оператора, непрерывный мониторинг и диагностирование состояния объекта (рис.11).
Рис. 11. Видеокадр АРМ дежурного по станции «Золотая нива»
Новосибирского метрополитена.