Научные направления

На кафедре существуют следующие научные направления:

  • Геоинформационные системы
  • Адаптивные системы сбора и передачи информации
  • Цифровые фильтры
  • Цифровая обработка сигналов на основе дискретно-конечных алгебраических моделей. Основы теории и принципы аппаратной и программной реализации

 

Геоинформационные системы
В начале девяностых годов на кафедре активно развивается направление, связанное с созданием электронных карт и систем управления на основе этих баз данных.

Все принципиальные вопросы разработки систем и создания геоинформационных баз данных решались группой в которую входили д.т.н. Л.К.Самойлов, к.т.н. А.А.Палазиенко, д.т.н. С.Л.Беляков. Теоретическая работа удачно сочеталась с практикой. Первой организацией, которая рискнула создать геоинформационную систему в г.Таганроге был “Таганрог Межрайгаз” в лице гл. инженера Гудкова Ю.В. Затем был “Водоканал” г.Таганрога и “Горгаз” г.Новочеркасска.

Наибольшим успехом группы следует считать создание геоинформационную системы для целого города Волжского. На базе системы были созданы подсистемы социальной сферы города и ряд других. Система создавалась комплексно с разработкой и поставкой локальной сети на 9 станций, размещенных по городу.

Вторым городом был г.Елец. Рабочая группа считает своим успехом заключение договора на создание геоинформационной системы для г.Нижний Новгород, где существуют сильные университеты и научные коллективы, в том числе и в геоинформатике. Можно отметить, что перед заключением большого договора были проведены семь совещаний с участием конкурирующих организаций. Главные достоинства предлагаемых систем – это сравнительно малый объем базы данных, высокая оперативность вывода данных и обеспечение точности.

Город Астрахань также воспользовался преимуществами предлагаемых систем.

В дальнейшем основные усилия по разработке систем велись для крупных заводов страны:
“Энергия” г.Елец
“Завод синтетических продуктов” г.Новочеркасск
“Красный котельщик” г.Таганрог
ТЭЦ-1 г.Волжский
ТЭЦ-2 г.Ростов-на-Дону
ТЭЦ-3 г.Волгоград
ПО “Волжский трубный завод” г.Волжский
“Волгоградский алюминий” г.Волгоград
Таганрогский металлургический завод
Белокалитвенское металлургическое производственное объединении
“Поволжье” г.Волжский

По геоинформационной тематике была защищена в 1999 году кандидатская диссертация доц. Сидоренко М.П., и доцент Беляков С.Л. защитил докторскую диссертацию по данной проблеме.

Учитывая большой опыт кафедры по созданию геоинформационных систем, руководство университета дало согласие на обучение студентов по направлению “Землеустройство и земельный кадастр” специальность 21.03.02 “Городской кадастр”. Кафедра успешно прошла все этапы лицензирования и 20.01.2000 г. в Министерстве образования вышел приказ о возможности подготовки специалистов по данной специальности.

 

 

Адаптивные системы сбора и передачи информации

В начале 80-х годов кафедра и 21-й отдел НКБ “Миус” включаются в программу разработки и внедрения новых технологий в практику передачи сигналов, проводимую НПО “Энергия” (г. Москва). Суть программы заключалась в исследованиях эффективности применения методов сжатия для телеметрических систем.

В результате проводимых работ разрабатывается ступенчатый алгоритм сжатия аналоговых сигналов с высокой степенью эффективности и возможностью интегрального исполнения. Новизна решения подтверждается авторским свидетельством (авторы Самойлов Л.К., Носиков В.Б., Тяжкун С.П.). Полученные результаты дают возможность продолжения работ уже в части создания адаптивной телеметрической системы. По результатам исследований защищается кандидатская диссертация (автор Новиков В.Б.). Выпускники и сотрудники кафедры подключаются к исследованиям и разработкам узлов и подсистем тракта сжатия-востановления. Под руководством Левонюка С.В. разрабатывается микропроцессорная подсистема востановления сигналов. В 1985 году рабочая группа под руководством Самойлова Л.К. в составе Маковей Н.И., Доронина И.Е., Оробенко А.Г., разрабатывает и внедряет на НПО “Энергия” компьютерную автоматизированную систему научных исследований адаптивных телеметрических систем.

Самойлов Л.К., Доронин И.Е., Сарычев В.В. модифицируют ступенчатый алгоритм сжатия и также получают авторское свидетельство. В 1987 году работа переходит в стадию опытно-конструкторской с целью создания опытного образца адаптивной телеметрической системы. Работу со стороны НПО “Энергия” курирует группа, в составе которой летчики-космонавты Рукавишников Н.Н. и Гречко Г.М. Под руководством главного конструктора Самойлова Л.К. и ведущего конструктора Сарычева В.В. разрабатывается и проходит испытания опытный образец 16-ти канальной адаптивной телеметрической системы в бортовом исполнении. Опытный образец попадает в перечень оборудования для оснащения комплекса “Буран”.Сарычев В.В. получает авторское свидетельство на устройство адаптации и в 1992 году защищает кандидатскую диссертацию.

 

 

 

Цифровые фильтры
Одним из разделов научной работы кафедры является работа по исследованию и разработке теории, структур, методов и алгоритмов практической реализации цифровых рекурсивных КИХ-фильтров (РКИХФ).

Обычно нерекурсивные цифровые фильтры имеют КИХ, рекурсивные – БИХ. Первые, в отличие от вторых , могут иметь линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ), но требуют больших вычислительных затрат (ВЗ). РКИХФ также могут иметь линейную ФЧХ, но при гораздо меньших ВЗ по сравнению с нерекурсивным фильтрами. До недавнего времени были известны РКИХФ с примитивными ИХ: прямоугольной или в виде отрезка комплексной экспоненты с прямоугольной огибающей.

Сотрудниками кафедры (рабочую группу возглавляет профессор Турулин И.И.) разработаны теоретические основы РКИХФ и реализующих их структур, а также соответствующие методы синтеза, позволяющие получить РКИХФ с произвольной КИХ, которые обеспечивают существенный (в десятки раз) выигрыш по сравнению с нерекурсивными, причем ВЗ у РКИХФ обычно не зависят от длины КИХ.

Разработаны структуры нефокусированных радио- гидролокационных систем с синтезированной апертурой на базе РКИХФ. В этих структурах системы первичной и вторичной обработки информации объединены в единый конвейерный формирователь изображения. Такие формирователи изображения требует в среднем на два порядка меньших ВЗ, чем традиционные.

Областями применения РКИХФ являются области, где применяются фильтры высоких порядков с линейной ФЧХ:
пространственная фильтрация, особенно с синтезированием апертуры;
обработок изображений;
оптимальная фильтрация сигналов;
корреляционный анализ;
сигма-дельта-АЦП.

По результатам работы опубликовано около 80 печатных работ, 4 монографии, защищены кандидатская (доцент Шушкевич Т.В.), и докторская (профессор Турулин И.И.) диссертации.

 

 

Цифровая обработка сигналов на основе дискретно-конечных алгебраических моделей. Основы теории и принципы аппаратной и программной реализации
В настоящее время обозначился определенный разрыв между высоким уровнем развития программно-аппаратных средств вычислительной техники и сложившимся способом постановки и реализации прикладных задач в сфере цифровой обработки сигналов (ЦОС) и компьютерного моделирования (КМ) непрерывных сигналов и систем. Идеология традиционного подхода сложилась исторически со времен первых, и по нынешним временам весьма скромных по своим возможностям, цифровых вычислительных средств. В его основе лежит переход от аналоговых (принимаемых за эталон) устройств и систем обработки сигналов к цифровым путем дискретизации по времени и квантованию по уровню входных, промежуточных и выходных величин.

Недостатками традиционного подхода являются:
трудности получения надежных количественных оценок погрешностей для реальных задач;
использование цифрового вычислителя в неэффективном режиме эмуляции операций поля вещественных чисел конечно-разрядной арифметикой с плавающей точкой с необходимостью поддерживать трудно контролируемый запас точности;
дискретная модель, адекватная в асимптотике исходной непрерывной задаче, в конечном варианте, как правило, имеет отличия качественного порядка, что требует дополнительного качественного анализа и количественной оценки последствий в виде еще одной составляющей погрешности или в виде сужения границ применимости такой модели.

На практике влияние этих недостатков в значительной мере компенсируется запасами по быстродействию и длине разрядной сетки представления чисел. Фактически это есть ни что иное, как размен недостатка в знаниях (информации) на технологические достижения. Однако, не смотря на внушительные успехи в области вычислительной техники, такой подход не применим для целого ряда задач, требующих обработки больших массивов данных.

Работа по данной теме посвящена разработке методологии синтеза алгоритмов и проектирования вычислительных устройств, позволяющей логически последовательно и более эффективно примирить непрерывное описание исходной задачи с цифровой (дискретной) формой ее реализации средствами конечной (и потому абсолютно точно реализуемой) арифметики.

Ключевыми моментами этой методологии являются два основных пункта:
исходная задача формулируется в непрерывной форме, при этом погрешность включается как равноправный компонент задачи на самом начальном этапе ее постановки;
находится подходящая дискретно-конечная модель абсолютно точно реализуемая средствами вычислителя с конечной разрядной сеткой и точно соответствующая приближенному (с заданной погрешностью) решению исходной непрерывной задачи.

В рамках принятого подхода системно и естественно решается вопрос оценки погрешности результата и снимается дополнительная проблема распространения и накопления погрешностей вычислений. В качестве платы за это становится более актуальной проблема синтеза подходящего цифрового алгоритма, поскольку переход от непрерывной модели к дискретной в рамках принятого подхода зачастую требует отказа от простого сужения операций поля вещественных чисел на конечные множества и конечную арифметику.

Основные задачи исследования:
Разработка основ теории, в рамках которой осуществляется описание как самой исходной задачи с учетом погрешности, так и процесса отображения ее на конечные алгебраические структуры, допускающие непосредственную и точную реализацию цифровыми средствами.
Исследование известных конечно-дискретных алгебраических структур (моделей) на предмет оптимального использования в качестве основы для непосредственной реализации цифровой техникой.
Разработка и исследование способов эффективной программно-аппаратной реализации дискретно-конечных моделей.
Разработка и исследование алгоритмов и их программных и аппаратных реализаций для традиционных прикладных задач в области цифровой обработки сигналов и компьютерного моделирования.

Практическая полезность.

Основное прикладное значение имеет методика синтеза алгоритмов и технические решения по их программной и аппаратной реализации, обеспечивающие достоверные оценки погрешности аппроксимации и использование конечной безошибочной арифметики цифровых вычислителей для типовых задач цифровой обработки сигналов и компьютерного моделирования.

Наибольший эффект предполагается в задачах пространственной и пространственно-временной обработки сигналов, когда из-за необходимости оперативно обрабатывать очень большие массивы данных предъявляются весьма жесткие требования к вычислительным и аппаратурным затратам при гарантированной точности получаемых результатов.

Имеются первые предварительные положительные результаты при решении некоторых конкретных прикладных задач. Среди них:
задача акустического течеискания (дистанционное обнаружение утечек в трубопроводах) на основе спектрально-корреляционной обработки акустических сигналов;
задача цифровой пространственной фильтрации в антенных решетках, а также стабилизация диаграмм направленности при динамическом искажении формы антенной решетки;
задача предварительной обработки оптических изображений в астрофизическом эксперименте;
задача цифрового моделирования волновых процессов в замкнутых средах (цилиндрических, сферических и т.п.).