Отчет ИВМ СО РАН за 2013 год

Важнейшие научные результаты ИВМ СО РАН 2013 года

• Важнейшие научные результаты ИВМ СО РАН 2013 года
• Математическая модель проникновения атмосферного электрического поля в ионосферу
• Внутренние волны в озере Шира
• Вычислительная методика быстрого геометрического анализа пространственных данных наблюдений
• Система прикладных веб-сервисов для построения многокомпонентных систем, ориентированных на обработку и представление геопространственных данных
• Имитационная информационно-графическая модель командно-измерительной системы космического аппарата
• Обобщенные функционально-инвариантные решения неоднородного волнового уравнения
• Оптимальный выбор количества интервалов дискретизации области изменения одномерной случайной величины при оценивании плотности вероятности

Авторы: д.ф.-м.н., проф. В. В. Денисенко, Е. В. Помозов, к.ф.-м.н. А. В. Китаев, (ИВМ СО РАН); professor M. Ampferer, professor H. Biernat, PhD W. Hausleitner, PhD G. Stangl (Space Research Institute, Graz, Austria)

Построено пространственное распределение напряженности электрического поля как решение стационарного уравнения электропроводности с граничными условиями, соответствующими заданию у поверхности Земли вертикальной компоненты электрического поля и отсутствию электрического тока из ионосферы в магнитосферу. Атмосфера и ионосфера рассматриваются как единый проводник с высотными распределениями компонент тензора проводимости, заданными в ионосфере в соответствии с современными эмпирическими моделями пространственно-временных распределений температуры и концентраций нейтральных молекул, ионов и электронов. Использованы также эмпирические модели изотропной проводимости в атмосфере.

Показано, что электропроводность позволяет объяснить лишь слабое ионосферное электрическое поле с напряженностью порядка микровольта на метр. Добавление в модель оттока зарядов в магнитосферу дополнительно уменьшает ионосферное поле. Следовательно, при анализе возможности спутникового мониторинга эти данные не могут использоваться как предвестники землетрясений ввиду ничтожных возмущений на этих высотах.

Рис. I.1. Модельные высотные распределения горизонтальной (а) и вертикальной (б) компонент напряженности электрического поля днем (тонкие линии) и ночью (жирные линии)

Основные публикации:

1. Denisenko V. V., Ampferer M., Pomozov E. V., Kitaev A. V., Hausleitner W., Stangl G., Biernat H. K.
   On electric field penetration from ground into the ionosphere // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2013. — V. 102. — P. 341–353.

2. Денисенко В. В., Помозов Е. В.
   Проникновение электрического поля из приземного слоя атмосферы в ионосферу. // Солнечно-земная физика. — Вып. 16. — Иркутск: ИСЗФ РАН. — 2010. — С. 70-75.

Авторы: к.ф.-м.н Л. А. Компаниец, Т. В. Якубайлик

На основе комплексного исследования гидрофизических характеристик оз. Шира с учетом натурных наблюдений 2011–2013 годов численно промоделирован один из механизмов образования внутренних волн в стратифицированном озере. Численные расчеты проводились для бассейна с батиметрией озера Шира при нестационарном ветре, соответствующем реальной ветровой картине на период летних измерений по данным метеостанции в районе озера Шира в 2013 г.

Эффект более интенсивного перемешивания в прибрежной зоне подтверждается данными натурных наблюдений температуры на озере Шира в 2013 г.

Периодические колебания водных масс ниже зоны термоклина крайне важны для функционирования биоты озера, поскольку с их помощью осуществляется наиболее эффективное возвращение биогенных элементов из нижней зоны в верхнюю.

Рис. I.2. Изотермы, полученные в центральной глубинной точке при постоянном ветре (слева), после прекращения действия ветра (в центре) и в точке прибрежной мелководной зоны после прекращения действия ветра

Рис. I.3. Данные с датчиков температуры в центральной точке до глубины 12 м (слева) и в прибрежной точке до дна (справа)

Основные публикации:

1. Баранов В. И., Голенко Н. Н., Компаниец Л. А., Пака В. Т., Якубайлик Т. В.
   Пространственно-временная изменчивость основных характеристик озера Шира в сезоне 2911–2012 гг. // Вестник Бурятского гос. ун-та. Математика, Информатика, 2013. — № 9. — С. 148–156.

Автор: д.т.н. К. В. Симонов

Разработана новая вычислительная методика для решения задач обработки и анализа пространственно-временных данных наблюдений. Методика основана на совместном выполнении вейвлет-преобразования данных для «круглых структур» и шиарлет-преобразования для «линейных структур» и эффективно решает трудно формализуемую задачу разделения изображения на морфологически различные составляющие.

Предложенная вычислительная технология может быть использована для решения прикладных задач в сейсмике, геоинформатике, геоэкологии, обработке медицинских снимков и снимков космического мониторинга, а также для построения сеток расчетных областей при проведении вычислительных экспериментов. В настоящее время методика тестируется на кафедре урологии КрасГМА и в Экологическом центре «РОПР» (г. Красноярск).

Рис. I.4. Обработка данных медицинских изображений (вверху) и геомониторинга (внизу): а — оригинал; б — результат шиарлет-преобразования

Основные публикации:

1. Симонов К. В., Кириллова С. В., Кадена Л.
   Анализ данных экологического мониторинга на основе шиарлет-преобразования // Информатизация и Связь, 2013. — № 2. — С. 125–127.

2. Капсаргин Ф. П., Симонов К. В., Кадена Л., Зуев Д. В., Зуева Л. Ф.
   Диагностика сложных явлений на основе геометрического анализа изображений // Вестник СибГАУ. Спец. Выпуск, 2012. — Вып. 6(46). — С. 77-82.

Авторы: к.ф.-.м.н., с.н.с. О. Э. Якубайлик, к.т.н., н.с. А. А. Кадочников, к.т.н., н.с. А. В. Токарев, инж. А. Г. Матвеев

Предложена новая модульная архитектура построения прикладного программного обеспечения многокомпонентных геоинформационных веб-систем, обеспечивающая разработчикам возможность интеграции отдельных элементов в единый комплекс. Составными частями создаваемых веб-ГИС могут быть как подсистемы, разработанные на основе популярных библиотек с открытым исходным кодом, так и собственные веб-приложения.

Разработанные программно-технологические решения использованы для построения ресурсоемких информационно-аналитических систем поддержки отраслевого управления (в сфере здравоохранения, образования, транспорта), экологического мониторинга и оценки состояния окружающей среды, прогноза социально-экономического развития региона, централизованного информационного обеспечения картографическими данными. Заказчиками этих систем являются органы исполнительной власти.

Рис. I.5. Мини-сайт «Экологический атлас г. Красноярска», созданный на основе системы веб-сервисов геопортала ИВМ СО РАН

Основные публикации:

1. Якубайлик О. Э., Кадочников А. А., Матвеев А. Г., Пятаев А. С., Токарев А. В.
   Программно-технологическое обеспечение геопортала ИВМ СО РАН // Электронные библиотеки, 2013. — Т. 16. — Вып. 5. — URL: http://www.elbib.ru/index.phtml?page=elbib/rus/journal/2013/part5/YKMPT.

2. Матвеев А. Г., Якубайлик О. Э.
   Проектирование и разработка программно-технологического обеспечения для геопространственных веб-приложений // Фундаментальные исследования, 2013. — № 10. — Ч. 15. — С. 3358–3362.

Авторы: д.т.н., проф. Л. Ф. Ноженкова, к.т.н. О. С. Исаева, к.т.н. А. А. Евсюков, Е. А. Грузенко, Р. В. Вогоровский, А. Ю. Колдырев, Р. В. Морозов совместно с СФУ

Разработана имитационная информационно-графическая модель бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата. Система позволяет наглядно представлять механизмы взаимодействия наземного комплекса управления и борта космического аппарата. Моделируются основные блоки командно-измерительной системы — приемник, передатчик, интерфейсный модкль, а также бортовые системы и центр управления полетами. Программа позволяет графически и в табличном виде отображать прием, обработку и передачу телекоманд для обеспечения внешнего командно-прграммного управления, а также подготовку и передачу в центр управления полетами пакетов телеметрических данных.

Работа выполняется совместно с Сибирским федеральным университетом в интересах ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнева».

Рис. I.6. Моделирование функционирования командно-измерительной системы

Основные публикации:

1. Ноженкова Л. Ф., Исаева О. С., Грузенко Е. А.
   Принципы построения и применения программно-математической модели бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата // Материалы XIII Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информатизации региона» (ПИР-2013). — Красноярск: ИВМ СО РАН, 2013. — С. 250–255.

2. Грузенко Е. А.
   Графическая визуализация и моделирование динамических процессов в программно-аппаратном комплексе // Информатизация и связь. — 2013. — Вып. 5. — С. 43-46.

Автор: к.ф.-м.н. Ю. В. Шанько

Введено понятие обобщенных функционально-инвариантных решений класса N для семейства уравнений распространения звука в двумерной стационарной неоднородной среде. Решения этого класса имеют произвол в N функций одной переменной. Доказана теорема, в которой приведены необходимые условия на плотность и скорость звука для существования обобщенных функционально-инвариантных решений класса 2. Предложен метод, позволяющий находить новые примеры уравнений, обладающих обобщенными функционально-инвариантными решениями и строить сами эти решения.

Рис. I.7. Дерево разбора различных случаев, при которых обобщенные функционально-инвариантные решения класса 2 существуют (+), либо не существуют (-), согласно теореме работы [1]

Основные публикации:

1. Шанько Ю. В.
   Обобщенные функционально-инвариантные решения двумерного неоднородного волнового уравнения // Сибирский журнал индустриальной математики, 2013. — Т. 16. — № 1. — С. 126–137.

Авторы: д.т.н., проф. А. В. Лапко, д.т.н., проф. В. А. Лапко

На основе анализа асимптотических свойств регрессионной оценки плотности вероятности впервые обоснована и определена оптимальная зависимость количества интервалов дискретизации области значений случайной величины от объема исходных статистических данных. Установлена еe инвариантность к изменению параметров восстанавливаемой плотности вероятности. Полученная аналитическая зависимость по виду близка к формуле Гаеде-Хайнкольда и совпадает с ней при оценивании плотности вероятности с равномерным законом распределения.

Результаты исследований имеют важное значение в задачах проверки гипотез о распределениях случайных величин с использованием критерия Пирсона, оценивании плотностей вероятности и построении их доверительных границ.

Рис. I.8. Зависимости статистических оценок среднеквадратического отклонения W₂ регрессионной оценки плотности вероятности от объёма n исходных данных. Кривые 1, 2, 3 получены соответственно методами дискретизации Брукса-Каррузера, Гаеде-Хайнкольда и предложенным авторами

Основные публикации:

1. Лапко А. В., Лапко В. А.
   Оптимальный выбор количества интервалов дискретизации области изменения одномерной случайной величины при оценивании плотности вероятности // Измерительная техника, 2013. — № 7. — С. 24-27.