МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Сборник трудов

II Всероссийского

конгресса молодых

ученых

Санкт-Петербург

OM1P

Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 197 с.

В издании «Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых» публикуются работы, представленные в рамках II Всероссийского конгресса молодых ученых и X Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, которые состоялись 9–12 апреля года в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики ISBN 978-5-7577-0439- В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и наук

и Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009– годы. В 2011 году Университет получил наименование «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, © Авторы, УДК PP8.

СТРАТЕГИИ И МЕТОДЫ КОММЕРЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

НА ПРИМЕРЕ ПРОЕКТА QoBus К.Л. Абакумова, А.А. Гордейчик, Д.С. Нечаев, М.А. Буряк

Научный руководитель – к.ф.-м.н., доцент М.В. Сухорукова В статье рассмотрены стратегии и методы коммерческого применения технологий ГЛОНАСС/GPS и матричных кодов на базе реально существующего проекта QRBus-сервиса информирования пассажиров на остановках общественного транспорта. Статья содержит базовые аспекты бизнес- и финансового моделирования касательно рассматриваемого проекта.

Ключевые слова: QR-код, ГЛОНАСС/GPS, стартап, startup, транспорт, экономика инноваций.

Введение В основу статьи положен реально существующий и осуществляемый проект QRBus (http://qrbus.ru/).

Если Вы когда-нибудь пользовались городским транспортом, вы наверняка задавались вопросом, «Где автобус!?», «Как долго придется его ждать!?». Стоит заметить, что 30 минут в день неоправданного ожидания при 5-ти дневном рабочем графике, это 5 суток в год!

QRBus – это сервис информирования пассажиров о времени прибытия городского транспорта, базирующийся на технологиях ГЛОНАСС/GPS навигации и матричных кодов. Мы получаем информацию от Комитета по транспорту г. Санкт-Петербурга о перемещении транспорта, анализируем ее и представляем в удобной форме на специальной веб-странице, которая доступна посредством специальных QR-кодов, размещенных на остановках общественного транспорта.

QRBus ответит на вопросы как долго ждать транспорт, и как добраться (с учетом реальной ситуации на дорогах). QRBus позволит спланировать маршрут, учитывая потребности людей с ограниченными возможностями. Использование сервиса распространяется как бесплатная услуга на самой остановке. Пользователь считывает QR-код и получает информацию о времени прибытия транспорта.

У проекта есть коммерческая составляющая – система рекламного геотаргетинга – геокупонный сервис. Принцип действия: пассажир сканирует QR-код, узнает время прибытия транспорта, если прогнозируемое ожидание >10 мин, пассажиру предлагается купить по купону кофе со скидкой и без очереди в кафе напротив остановки (кафе как один из возможных кейсов).

Реализуемые задачи В качестве основной цели в проект было заложено стремление его основателей оказать положительное воздействие на транспортную систему, путем оптимизации существующих решений, их доработки и предложения новых инициатив. В рамках заданных целей взята система общественного транспорта г. Санкт-Петербурга, а именно – наземный транспорт.

Задачи проекта выстраивались относительно классического понимания бизнеспланирования, а именно:

- маркетинговое исследование технологической и объектной предметной области;

- оценка влияния внешней среды, разработка стратегий действий применительно к выявленным угрозам макро- и микросреды;

- при поддержке администрации города, оснащение 70 тестовых остановок Фрунзенского района QR-табличками, информирующими о прибытии транспорта в режиме реального времени, пилотный запуск проекта;

- проработка бизнес-модели, выстраивание базового бизнес-плана;

- построение финансово-экономической модели проекта, выявление стратегий и методов коммерциализации;

- запуск работ по созданию прототипа электронного табло;

- масштабирование проекта с QR-кодами на весь Фрунзенский район;

- масштабирование проекта с QR-кодами на Васильевский район;

- запуск дополнительного функционала планирования маршрутов;

- запуск функционала для людей с ограниченными возможностями;

- добавление базы по движению коммерческого транспорта;

- масштабирование проекта с QR-кодами в рамках города;

- запуск экспериментальных прототипов электронного табло во Фрунзенском районе.

Обращаясь к численным оценкам, стоит заметить, что пассажиропоток и количество объектов внедрения (остановок) – это весомые статистические цифры, а именно:

- количество остановок в Санкт-Петербурге – 7244;

- пассажиропоток на остановках – 1240 млн. в год (из расчета 1998,9 млн. пассажиров в год в Санкт-Петербурге, из которых 38% приходится на метрополитен);

- в среднем – 468 пассажиров на одной остановке в день;

- для передвижения по городу общественным транспортом обычно пользуются 80% взрослого населения Санкт-Петербурга1;

- наземными видами транспорта – автобусы, маршрутки, троллейбусы, трамваи – пользуются 2270–2320 тыс. чел. или 65–68% горожан.

Несмотря на то, что, казалось бы, проблема лежит на поверхности, и недовольство пассажиров работой общественного транспорта ярко выражено, так же интересно взглянуть на это не в качественном, а в количественном виде.

Оценка работы наземного общественного транспорта Только 16% тех, кто пользуется общественным наземным транспортом, не испытывают неудобств от этого процесса. Основная проблема общественного транспорта – «приходится долго ждать» (81%). Среднее время ожидания транспорта при поездке на работу (учебу) или с работы (учебы) 20–25 минут! Как следствие, 70% жителей Санкт-Петербурга оценивают работу общественного транспорта неудовлетворительно. А как еще можно оценить работу транспорта со средними интервалами в 20–25 минут?! Значительная часть петербуржцев склонна связывать проблемы городского транспорта с проблемами городского управления 1.

Возвращаясь к бизнес-моделированию, разделим предложения ценности относительно предлагаемых сервисов и раскладки потребитель/покупатель.

В качестве основного продукта предлагается сервис информирования пассажиров на остановках общественного транспорта Санкт-Петербурга, посредством QR-кода.

Потребители-пассажиры города так же люди с ограниченными возможностями, нуждающиеся в информации о приспособленности транспорта для их передвижения.

На данный момент специфика проекта, сужает целевую аудиторию до пассажиров-пользователей смартфонов.

Побочный продукт – система рекламного геотаргетинга – геокупонный сервис.

По данным агентства маркетинговых исследований и консалтинга «Gortis»

Принцип действия: пассажир сканирует QR-код, узнает время прибытия транспорта, если прогнозируемое ожидание >10 мин, пассажиру предлагается купить по купону кофе со скидкой и без очереди в кафе напротив остановки (кафе как один из возможных кейсов). Система геотаргетина будет ненавязчивым предложением, без перегрузки внимания пользователя.

Покупатель – в качестве основного сегмента, на котором будет запускаться сервис, выбраны около-остановочные кафе, фаст фуд. Здесь в качестве предложения ценности выступает новый канал привлечения клиентов.

Управление проектом осуществляется по методологии LeanStartup, основную суть которой можно свести к трем пунктам:

1. запуск минимально ценного продукта, представляющего ценность для пользователя (MVP);

2. разработка дальнейших гипотез ценности и роста;

3. проверка гипотез и в соответствии с этим корректировка модели реализации.

Так называемое «Бережливое производство» (LeanStartup) позволяет существенно снижать затраты на реализацию проекта. В случае представленного проекта QRBus, основной ресурс – это время команды, которое может быть потрачено на разработку ненужного функционала или вовсе ненужного продукта. Итеративная проверка гипотез позволяет каждый раз заново нащупывать потребность рынка и находить различные пути удовлетворения этой потребности.

Поскольку система геотаргетинга не является первичным продуктом, ее реализация и продвижение отложены до момента набора критической массы в среднестатистическую выборку 1000 запросов на один QR-код. Затраты на реализацию:

трудочасы команды QRbus.

Ниже представлены основные выдержки из финансовой модели геокупонного сервиса.

Таблица. Выдержки из финансовой модели геокупонного сервиса Как видно и приведенных данных, проект отличается довольно высокими показателями рентабельности.

Запуск пилотной версии базового функционала проекта состоялся 26 февраля 2013 года на 70 остановках Фрунзенского района Санкт-Петербурга. Старт проекта широко освещался в прессе, на данный момент более 40 публикаций. Мы получили много вопросов и предложений от пользователей социальных сетей. Через некоторое время после запускам проекта было произведено слияние с основными конкурентами.

Запуск и последующая жизнь проекта показали, что была нащупана действительно насущная проблема, к решениям которой пассажиры города проявляют активный интерес. В рамках методологии LeanStartup, QR-коды были первым шагами в валидации гипотезы существования рыночной потребности. Совместно с масштабированием сервиса информирования посредством QR-кода, проводятся работы по созданию прототипа – электронного табло – это следующая веха в жизненном цикле проекта. Очень важно понимать, что глобальные решения приходят постепенно, наращивая темп по итеративно-инкрементальному принципу.

Стоит заметить, что в предложенной здесь финансовой модели нет ничего сверхъестественного и фантастического. Экономика инноваций всегда отличается характерными высокими доходами и соответствующими рисками. Стоит учитывать, что проект развивается как стартап, и все его участники работают инициативно – их потенциальные не выплачиваемые зарплаты – основной фактор, влияющий на высокую капитализацию проекта и как следствие высокие показатели эффективности проекта.

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://freshle.com/blog/whatislean/, своб.

Голяков С.М. Бизнес-планирование: учеб. пособие. – СПб: Изд. дом СПбГУ, 2004. – 3. Osterwalder A. Business Model Generation. – USA: John Wiley & Sons, Inc., 2010. – УДК 6R

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШРОТА РАСТОРОПШИ

В ТЕХНОЛОГИИ ПИТАНИЯ

Научный руководитель – к.б.н., доцент О.Б. Иванченко Настоящая работа посвящена теме разработки технологии овощного смузи с использованием диетической добавки шрота расторопши. В статье представлены исследования изменения влагосодержания шрота расторопши в зависимости от гидромодуля и времени набухания. Установлено, что на величину влагосодержания влияет время. На основании полученных данных построена модель технологии овощного смузи.

Ключевые слова: функциональные продукты, смузи-напитки, шрот расторопши, силимарин.

В России наблюдается тенденция к устойчивому росту числа заболеваний, вызванных различными мутагенными и онкогенными факторами окружающей среды. В настоящее время особый интерес проявляется к функциональным продуктам питания, обогащенным ингредиентами, способствующими сохранению здоровья и профилактики такого рода заболеваний [1].

Родиной понятия физиологически функциональных продуктов питания является Япония, которая в 1989 году приняла закон об улучшении питания, как альтернативу медикаментозной терапии. Японские исследователи оценивают три основных качества функциональных продуктов: пищевая ценность, вкусовые качества и физиологическое воздействие; причем, последнее формируется введенными в состав продукта функциональными ингредиентами.

Физиологически функциональный пищевой ингредиент – вещество или комплекс веществ животного, растительного, микробиологического, минерального происхождения или идентичные натуральным, а также живые организмы, входящие в состав функционального пищевого продукта, обладающие особенностью оказывать благоприятный эффект на одну или несколько физиологических функций, процессы обмена веществ в организме человека при систематическом употреблении в количествах, составляющих от 10 до 50% суточной физиологической потребности [2].

За последние 20 лет движущей силой развития пищевой отрасли и индустрии напитков являются польза и удобство потребления. На рынке появляется все больше новых изделий целевым образом предназначенных для людей, у которых мало времени, но отдающим предпочтение здоровой пище, в том числе функциональным напиткам, дополняющие обычный рацион. Функциональные напитки – это такие напитки, которые, кроме известных свойств утолять жажду, приносят дополнительную пользу для здоровья человека. В развитых странах сектор функциональных напитков имеет главное значение – это наиболее удобная, естественная форма обогащения организма витаминами, пробиотиками, антиоксидантами, макро- и микроэлементами, полифенолами.

Сегодня популярность здоровой пищи возросла и России [3]. В настоящее время в нашей стране вопросы здорового питания населения рассматриваются в контексте государственного документа: «Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года».

Актуальность темы обусловлена необходимостью создания продукции повышенной пищевой ценности и высокого качества функционального назначения. Эту проблему можно решить, совершенствуя существующие и создавая новые технологии функциональных продуктов и, в частности, напитков [4].

В последние годы наблюдается смещение спроса потребителей из сегмента рынка газированных безалкогольных напитков в сектор негазированных напитков, фруктовых соков и коктейлей. Снижение объемов продаж газированных безалкогольных напитков связывают с тем, что потребители все больше стремятся потреблять натуральные и полезные напитки. Аналитическими маркетинговыми исследованиями установлено, что по потребительскому рейтингу уровень признания фруктовых, овощных напитков и пюре является высоким (рис. 1).

Рис. 1. Анализ спроса безалкогольных напитков на рынке России за 2011 и 2012 годы На данном рисунке представлен анализ спроса безалкогольных напитков на рынке России за 2011–2012 годы. На диаграмме видно, что спрос на смузи напитки с 5,1% в 2011 году возрос до 6,9% в 2012 году, это говорит о том, что смузи – напитки пользуются спросом. Также негативные последствия внешней среды можно ослабить благодаря проектированию и конструированию продуктов питания с использованием биологически активных функциональных композиций, которые повысят интенсивность обменных процессов, будут регулировать нервно-психические процессы, повышать стресс-устойчивость, увеличивать эффективность защитных и восстановительных процессов, поддерживать жизненный тонус и препятствовать процессам преждевременного старения.

Учитывая вышесказанное, разработка технологии овощной смузи-продукции антистрессовой направленности является актуальной и перспективной. Смузи – холодный десерт в виде смешанных в блендере ягод, фруктов и овощей. Смузи используется в вегетерианском, оздоровительном, детском, студенческом и геронтологическом питании.

Шрот расторопши, как функциональный ингредиент Шрот расторопши относится к группе растительных гепатопротекторов, оказывающих защитное и восстанавливающее действие на печень. Мука расторопши – это перемолотые семена расторопши, после холодного отжима из них растительного масла.

Семена расторопши пятнистой содержат жирное масло, эфирное масло, хромоны, смолы, биогенные амины и уникальный комплекс флавонолигнанов, главными из которых являются силибинин, силидианин, силикристин. Именно комплекс флавонолигнанов, называемый силимарином, определяет биологическую активность и гепатопротекторное действие расторопши и препаратов, изготовленных из нее, в частности экстрактов из семян и млечного сока.

Гепатопротекторное действие силимарина из плодов расторопши обусловлено его антиоксидантными и мембраностабилизирующими свойствами. Избыточное накопление продуктов перекисного окисления липидов является одним из ведущих патогенетических механизмов поражения клеток печени (гепатоцитов). Это приводит к повреждению липидного слоя клеточных мембран и разрушению клеток [5].

Силимарин препятствует накоплению гидроперекисей липидов и тем самым уменьшает степень повреждения клеток печени. Кроме того, стабилизируя клеточную мембрану гепатоцитов, силимарин замедляет поступление в них токсичных веществ (как экзогенного, так и эндогенного происхождения). Силимарин также активирует обмен веществ, результатом чего является нормализация белоксинтетической и липотропной функции печени.

Шрот расторопши имеет оздоровительное и общеукрепляющее действие.

Компонентный состав шрота богат пищевыми волокнами, которые стимулируют очищение организма от шлаков и токсических веществ, способствуют защите и восстановлению органов и тканей организма.

Проблеме создания функциональных продуктов питания на основе расторопши посвящены работы ряда ученых – Л.Я. Ауэрмана, Р.Д. Поландовой, Т.Б. Цыгановой, В.Д. Малкиной, Л.И. Пучковой, Н.П. Козьминой, В.А. Тутельяна, О.А. Ильиной, Л.Н. Шатнюк, Ю.Ф. Рослякова [6].

Изучение физико-химических показателей томатного смузи В начале было исследовано набухание шрота расторопши в томатном соке при температуре 18°С, при различных гидромодулях. В качестве контроля использовали томатный сок без шрота. Масса шрота, которая была использована в экспериментах составляла 1,0 г. Определение степени набухання проводилось в течение 120 мин. Как показывают проведенные исследования, скорость набухания смеси была интенсивна на протяжении первых 45–60 мин, а оптимальный гидромодуль составил 1:10 (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость времени набухаемости шрота расторопши в томатном соке Была также исследована вязкость овощного пюре при добавлении шрота расторопши. Вязкость определялась на вязкозиметре Rheotest, при градиенте 100, температуре 18°С, и продолжительности определения вязкости 30 секунд. Было выбрано 6 образцов, массой шрота 1 и 2 г, концентрация томатного сока 10, 15 и 20 мл, т.е. анализировали образцы с гидромодулем 1:10, 1:15, 1:20, 2:10, 2:15, 2:20.

В ходе эксперментов определено, что значения вязкостей (при температуре 18°С) оптимальны для образцов гидромодулей 1:15 и 1:20, показатели которых приближены к конторольному образцу [7].

Методом титрования была определена общая кислотность на приборе титратор томатного смузи равная 4,2%. Проведена органолептическая оценка томатного смузи, результаты которой представлены на профилограмме (рис. 3). Рассчитана энергетическая ценность томатного смузи, которая равна 61 ккал [8].

Рис. 3. Профилограмма томатного смузи-напитка В результате проведеных экспериментов была разработана принципиальнотехнологическая схема овощного смузи с добавлением добавки шрота расторопши.

Таким образом, анализируя данные литературы и полученные экспериментальные данные можно говорить о целесообразности и возможности использования шрота расторопши в производстве смузи-продуктов функционального назначения.

Сирохман І.В., Завгородня В.М. Товарознавство харчових продуктів функціонального призначення: навч. пос. [для студ. вищ. навч. закл.]. – К.: Центр учбової літератури, 2009. – 544 с.

ГОСТ Р 52349-2005. Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные.

Термины и определения. – Введ. 31.05.2005. – М.: Стандартинформ, 2005. – 8 с.

Доронин А.Д., Ипатов Л.Г., Кочеткова А.А., Нечаев А.П., Хуршудян С.А., Шубина О.Г. Функциональные пищевые продукты. Введение в технологии. – М.:

ДеЛи Принт, 2009. – 288 с.

Семенкина Н.Г., Цыганова Т.Б., Крылова Е.И. Новые функциональные хлебобулочные изделия с гепатопротекторными свойствами // Пищевая промышленность. – 2010. – № 9. – С. 74–76.

Пащенко Л.П., Санина Т.В., Пащенко В.Л. и др. Характеристика расторопши – перспективного компонента хлебобулочных изделий // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2005. – № 9. – С. 60.

Уиддоусон М. Химический состав и энергетическая ценность пищевых продуктов.

Справочник. – СПб: Профессия, 2009. – 398 с.

Кочеткова А.А., Нестерова И.Н. Функциональные ингредиенты и концепция здорового питания // Ihgredients. – 2002. – № 2(9). – С. 4–7.

Патент РФ № 2466566. Напиток и способ его приготовления / Копонен Л., Лахтинен Р., Вестер И.; патентообладатель: Райсио Ньютришн ЛТД; заявл. 24.07.08;

опубл. 20.11.12.

УДК RP6.4O1.R

УМЕНЬШЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА СВАРКЕ АНИЗОТРОПНЫХ

СВЕТОВОДОВ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ

Научный руководитель – д.т.н., профессор И.К. Мешковский

Работа посвящена одной из важных характеристик сварки волоконных световодов – оптическим потерям.

Представленный метод уменьшения потерь состоит в оптимизации параметров сварки в стандартном электроразрядном сварочном аппарате. В результате проведенной оптимизации параметров типичные значения потерь на сварке уменьшились с 1,5 дБ до 0,07 дБ.

Ключевые слова: сварка оптических волокон, оптимизация параметров сварки, анизотропные световоды.

Оптические волокна с напрягающей эллиптической оболочкой представляют большой интерес, так как они могут быть получены с рекордными значениями степени сохранения поляризации излучения (h – параметр ~10–6 м–1).

Специфичность данного типа анизотропных световодов обуславливает необходимость определения технологических параметров для их сварки в стандартных дугоразрядных сварочных аппаратах с наименьшими оптическими потерями.

Особенности физики сварки волоконных световодов связаны с молекулярной структурой кварцевого стекла, из которого они изготавливаются. Кварцевое стекло – это аморфный материал, состоящий из молекулярных тетраэдров, соединенных вершинами и образующих трехмерную сеть. Упорядоченное расположение четырехгранников наблюдается только для нескольких молекул, однако в дальнем порядке преобладает хаотичность их положения [1].

Среди физических характеристик кварцевого стекла наиболее важными для сварки оптических волокон являются вязкость, поверхностное натяжение, степень легирования добавками, термическое расширение (сжатие) и хрупкость. В отличие от кристаллов, стекла не имеют четкой температурной границы между твердым и жидким состояниями, в то же время поверхностное натяжение, вязкость, плотность и другие параметры стекла меняются весьма плавно в большом диапазоне температур [2].

Как известно, вязкость кварцевого стекла уменьшается экспоненциально с увеличением температуры. Для формирования сварного соединения волокно должно быть размягчено, что означает уменьшение его вязкости до определенного значения (обычно до 105 пуаз) за счет нагревания примерно до 2000°C [3].

При температурах сварки основной силой, управляющей движением расплавленного стекла, является сила его поверхностного натяжения, действие которой ограничивается главным образом вязкостью стекла. Поверхностное натяжение, с одной стороны, совмещает оболочки свариваемых волокон друг с другом, что, в свою очередь, улучшает юстировку сердцевин, уменьшая потери. С другой стороны, в том случае, когда свариваемые волокна умышленно смещены для компенсации эксцентриситета сердцевин, сила поверхностного натяжения стремится уменьшить смещение, приводя к рассогласованию сердцевин и увеличению потерь [1].

Вблизи места сварки может наблюдаться повышение механических напряжений, вызванное тем, что вязкость и коэффициент объемного расширения стекла зависят от концентрации примеси. Эти напряжения приводят к изменению показателя преломления в месте варки и, в том случае, если коэффициенты расширения свариваемых световодов заметно отличаются, при охлаждении сварка, как правило, разрушается [4].

Основные параметры сварки, влияющие на оптические потери В настоящее время для сварки волокон применяются в основном электроразрядные сварочные аппараты, в которых в качестве источника тепла выступает дуговой разряд между парой электродов [6]. Такие аппараты имеют множество параметров, определяющих качество сварки, основными из которых являются: первоначальный зазор между торцами волокон, величина перекрытия торцов, длительность и мощность дуги предварительной оплавки торцов, длительность и мощность основной сварочной дуги. Также важными параметрами являются длительность и мощность дуги предварительной очистки, так как загрязнение на поверхности волокна приводит к образованию летучих газов, которые ведут к образованию пузырей в месте сварке [2].

В настоящей работе был использован сварочный аппарат Fujikura FSM 45-F. Он имеет 40 встроенных режимов сварки для различных типов телекоммуникационных волокон, а также позволяет гибко изменять настройки для случая нестандартных световодов. Режим для сварки оптических волокон типа SMF-28 был выбран в качестве исходного, так как по содержанию диоксида германия в сердцевине волокно SMF- близко к исследуемому.

В качестве критерия оптимизации была выбрана величина изменения оптических потерь s. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки.

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 – источник излучения; 2 – сварочный аппарат;

3 – анизотропное волокно; 4 – измеритель оптической мощности Методика исследования состояла в следующем. На первом этапе проводилась калибровка показаний фотоприемника. С этой целью в исследуемое волокно длиной около 5 м вводилось излучение, после чего фиксировался уровень прошедшей мощности, который принимался за отсчетный.

На втором этапе волокно разрезалось посередине, после чего две половины сваривались вместе, и наблюдался новый уровень прошедшей оптической мощности.

Потери на сварке оценивались по формуле (1), как разница измеренных мощностей до и после сварки.

где – потери на сварке; – значение мощности после сварки; – значение мощности после калибровки.

Из рассмотренных методов в настоящей работе был применен метод полной факторной группы. Подбор параметров осуществлялся последовательно, так, чтобы изменение каждого следующего параметра уменьшало или, по крайней мере, не увеличивало уже достигнутый уровень потерь. Сначала были определены подходящие значения величины зазора и перекрытия торцов. Их начальные значения составляли 15 мкм. Изменение этих параметров производилось с шагом 5 мкм. На каждом шаге осуществлялось по 4 сварки, для уменьшения случайной погрешности, присущей этому процессу. Также установлено, что их наилучшее соотношение составляет 1:1. Далее подбиралась мощность дуги предоплавки. В этом случае ее значение изменялось от начальных 20 bit (специальная единица измерения в используемом сварочном аппарате) с шагом 5 bit. Длительность этой дуги не изменялась, потому что, согласно инструкции к аппарату, ее изменение тождественно изменению силы тока дуги.

С целью определения типичных потерь при подобранных параметрах было сделано 10 сварок. Статистика потерь представлена гистограммой на рис. 2, а, изображение волокна, полученное сварочным аппаратом после сварки, приведено на рис. 2, б.

Рис. 2. Гистограмма потерь для сварки с оптимальными параметрами ( – количество сварок) (а); изображение волокна сварочным аппаратом после сварки (б) В работе были определенные параметры сварки анизотропных оптических волокон с напрягающей эллиптической оболочкой, легированных 4 мол.% диоксида германия. Проведен анализ основных физических механизмов сварки кварцевых световодов. Выявлены основные параметры, определяющие качество сварного соединения в случае применения электроразрядного сварочного аппарата.

При помощи оптимизации ключевых технологических параметров сварки анизотропных световодов с напрягающей эллиптической оболочкой удалось получить потери, сопоставимые с потерями при сварке стандартных телекоммуникационных волокон типа SMF-28.

1. Bansal N.P., Doremus R.H. Handbook of Glass Properties. – N.Y.: Academic Press, Yablon A.D. Optical fiber fusion splicing. – N.Y.: Springer, 2005. – 319 р.

3. Gerhart Ph.M., Gross R.J., Hohstein J.I. Fundamental of Fluid Mechanics. – Massachusetts, Addison Wesley Publ. Comp., 1985. – 983 p.

4. Tosco F. Fiber Optic Communications Handbook. – PА, Summit, Tab Books, 1990. – 5. Kashima N., Sankawa I. Reflection properties of splices in graded-index optical fibers // Applied optics. – 1983. – V. 22. – № 23. – P. 3820–3825.

6. Tachikura M. Fusion mass-splicing for optical fibers using electric discharges between two pairs of electrodes // Appl. Opt. – 1984. – V. 23. – № 3. – P. 492–498.

УДК RP.M8O.

МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАМЕР

ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ

МЕТОДА ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.В. Федоров В статье рассматривается вопрос контроля качества паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей, на примере, камеры 14Д23 и РД 191. Основной проблемой, связанная с проведением контроля данных камер, является не возможность применения традиционных методов неразрушающего контроля, потому что сопло камеры имеет сложную геометрическую форму. В статье представлен новый метод неразрушающего контроля – лазерно-ультразвуковая диагностика и показаны результаты отработки данного метода.

Ключевые слова: паяные соединения, лазерно-ультразвуковая диагностика, пьезопреобразователь, неразрушающий контроль, дефект, контроль, сопло, камера.

На заводах-изготовителях при изготовлении жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для ракет носителей «Ангара», «Протон» и «Союз-2» широко применяются средства и методы неразрушающего контроля, обеспечивающие качество и надежность изготавливаемых двигателей. На сегодняшний день остается главный вопрос – обеспечение контроля качества паяных соединений стенок камер ЖРД на всем протяжении изготовления ракетных двигателей. На предприятиях контроль качества пайки подтверждается косвенными методами, в том числе прочностными и огневыми испытаниями (контрольные испытания, контрольно-выборочные испытания и контрольно-технические испытания), что не исключает возможности разрушения сопла ЖРД.

Использование неразрушающих методов контроля, позволяют избежать разрушения готового изделия, т.е. нет необходимости изготовления образцов для проведения контроля, приводит к сокращению времени и снижению материальных затрат, обеспечивает полный или частичный автоматизированный контроль со значительным повышением качества и надежности изделий. На сегодняшний день каждый технологический процесс, направленный на получение ответственных изделий, не вводиться в промышленность без определенной системы неразрушающих методов контроля [1].

Рис. 1. Камера сопла ЖРД 14Д23 для ракеты носителя «Союз-2»

Ограничение возможности применения неразрушающих методов контроля связано с конструкцией камеры. Наиболее показательным является процесс изготовления камеры ЖРД 14Д23 ракеты носителя «Союз-2.1б». Камера ЖРД (рис. 1) представляют собой геометрически сложную конструкцию с множеством различных внутренних полостей (рис. 2), предназначенных для охлаждения сопла в процессе работы двигателя, и труднодоступное для контроля подколлекторное кольцо. Это обстоятельство обуславливает сложность технологии пайки, особенно таких процессов как нанесение припоя и обеспечение стабильности величины гарантированного зазора между сопряженными элементами (рис. 2).

Типовые дефекты паяных соединений и методы их определения Типовыми дефектами паяных соединений, возникающих как в процессе изготовления, так и при эксплуатации являются:

- неспай – отсутствие сцепления паяемого материала с материалом паяного шва;

- непропай – частичное или полное не заполнение паяльного зазора припоем;

- шлаковые включения – темные фазы шлака в паяном шве;

- поры – полости округлой формы;

- эрозия – растворение паяемого материала при пайке;

- подрез – углубление в паяемом материале, не заполненного припоем;

- усадочные раковины и рыхлоты – полости или впадины, образованные при кристаллизации шва;

- заплавление каналов – частичное или полное заполнение канала припоем;

- межзеренное проникновение припоя – распространение припоя по границам зерен паяемого материала;

- паяльные остаточные напряжения – остаточные напряжения, имеющиеся в паяном соединении после охлаждения;

- трещины – возникают под действием напряжений и деформаций металла изделия в процессе охлаждения.

Дефекты, наиболее часто возникающие в паяных соединениях изделий ракетных двигателей в камерах сгораниях и наиболее опасные, которые могут привести к разрушению сопла в ходе проведения прочностных и огневых испытаний, являются:

неспай, непропай и трещина. Данные дефекты возникают между спаиваемыми поверхностями вследствие нарушения технологии или больших тепловых и (или) механических напряжений при испытаниях ЖРД 14Д23.

Попытки использования традиционных методов неразрушающего контроля, таких как вихретоковый, рентгеновский и ультразвуковой традиционным пьезовозбуждением) с целью контроля качества паяных соединений не привели к положительным результатам. Это связано, прежде всего, с размерами типовых дефектов паяного соединения (неспай, непропай), а также с конструкционными особенностями ЖРД, данные конструкции являются неконтролепригодными. В связи с этим предлагается для контроля качества паяных соединений камер ЖРД использовать новый лазерно-ультразвуковой метод неразрушающего контроля, основанный на использовании термооптического возбуждения ультразвука.

Процесс контроля качества паяного соединения камеры ЖРД Контроль проводился путем ручного сканирования по внутренней поверхности подколлекторной зоны сопла, эхо-методом при контактном вводе продольных ультразвуковых колебаний с использованием оптико-акустического преобразователя (ОАП), генерирующего продольную волну.

В широкополосном ОАП через прозрачную призму под определенным углом падает лазерный импульс на контролируемую поверхность объекта контроля (рис. 3).

Прозрачная призма находится в акустическом контакте с объектом контроля и является одновременно звукопроводом широкополосного пьезоэлектрического приемника.

Поверхность преобразователя имеет цилиндрическую форму с кривизной, соответствующей кривизне подколлекторной зоны в окружном направлении.

Рис. 3. Схема расположения преобразователя и распространения ультразвуковых волн Акустический контакт при контроле обеспечивался прижимом преобразователя к внутренней поверхности подколлекторной зоны через тонкий иммерсионный слой контактной жидкости. Поглощаясь в металле, лазерное излучение нагревает тонкий поверхностный слой объекта контроля и граничащий с ним слой жидкости, что приводит к тепловому расширению и возбуждению ультразвуковых импульсов – акустических сигналов (рис. 3) [2, 3].

При расположении преобразователя на внутренней поверхности подколлекторной зоны в районе ребра ультразвуковые импульсы распространяются в исследуемом объекте в ребре с последующим отражением от внешней поверхности наружной стенки камеры сгорания ЖРД подколлекторного кольца в преобразователь. При наличии качественной пайки ультразвуковые импульсы отражаются с глубины 2,1–2,4 мм (рис. 4).

Рис. 4. Амплитудное отображение бездефектной зоны При наличии несплошности (непропай) возбуждение и распространение ультразвуковых импульсов в объекте исследования происходит аналогично. Отражение ультразвуковых импульсов происходит не от внешней стороны наружной стенки (2,1– 2,4 мм), а от границы раздела среды ребро-непропай (1,5 мм) (рис. 5).

Рис. 5. Амплитудное отображение дефекта (непропая) В ходе проведения данных исследований были получены результаты контроля качества паяных соединений на наличие дефектов типа непропай, которые были подтверждены разрушающими методами и металлографическому контролю.

Количество проверенных сопел металлографическим методом – 4. Было произведено вскрытие разрушенных участков. Вскрытые участки исследовались визуально с использованием микроскопа МБС-2.

Металлографические исследования показали следующее:

1. совпадение результатов лазерно-ультразвуковой диагностики и металлографии на сопле с КС № 30 – полное;

2. несовпадение результатов ЛУЗД и металлографии на сопле с КС № 6 и 9 после КТИ, в том числе:

- на сопле № 6 металлография выявила дополнительный дефект на 1 ребре, не отмеченный ЛУЗД;

- на сопле с КС № 9 металлография выявила дополнительный дефект на 3-х ребрах.

Метод ЛУЗД качества паяных соединений камер ЖРД показал, что данный метод является наиболее пригодным методом неразрушающего контроля для последующей отработки и внедрения на заводах-изготовителях.

Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль: учебник для специалистов первого и второго уровней квалификации. – М.: Азимут, 2006. – 208 с.

Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю. Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей // Изв. вузов.

Приборостроение. – 2011. – Т. 54(7). – С. 50–54.

Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю. Методика лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений // Изв. вузов. Приборостроение. – 2013. – Т. 56(5). – С. 94–98.

Карабутов А.А., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн // Акустический журнал. – 1993. – Кинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях // Изв. вузов. Приборостроение. – 2011. – Т. 54(7). – УДК MM4.MR

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МАРКИРОВАНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Ю. Тропченко В статье приводится краткий обзор некоторых эффективных современных методов цифрового маркирования неподвижных изображений в частотной области, основой которых являются: дискретное вейвлет-преобразование, искусственные нейронные сети и хаотические системы. Представлена краткая характеристика каждого метода, используемый математический аппарат, перечислены основные достоинства и недостатки. Сделан вывод о перспективности использования искусственных нейронных сетей в сфере цифрового маркирования.

Ключевые слова: стеганография, дискретное вейвлет-преобразование, искусственные нейронные сети, хаотические системы.

С развитием информационных технологий резко возросла угроза нарушения прав интеллектуальной собственности, связанная с потенциальной возможностью ее неограниченного тиражирования через электронные каналы передачи данных.

Цифровые водяные знаки (ЦВЗ) на данный момент являются одним из самых эффективных средств защиты мультимедийной информации от незаконного распространения и модификации.

ЦВЗ представляет собой невидимые человеческим глазом метки, встраиваемые в объект (контейнер), подлежащий защите, по определенному алгоритму. ЦВЗ, внедренный в контейнер должен быть незаметным, необнаруживаемым и устойчивым к искажениям различного типа.

Большинство исследований посвящено использованию в качестве носителей водяного знака (стегаконтейнеров) именно изображений. Это обусловлено следующими причинами [1]:

1. практической необходимостью;

2. относительно большим и фиксированным размером контейнера;

3. наличием в большинстве реальных изображений шумовых структур, отлично подходящих для встраивания ЦВЗ;

4. слабой чувствительностью человеческого глаза к незначительным искажениям изображения.

Методы цифрового маркирования различаются по областям внедрения ЦВЗ:

- внедрение ЦВЗ в пространственную область изображения – основано на изменении параметров пикселов: цветовые составляющие, яркость;

- внедрение ЦВЗ в частотную область изображения – основано на применении линейных ортогональных преобразований: дискретного преобразования Фурье (ДФП), дискретно-косинусные преобразования (ДКП), дискретного вейвлетпреобразования (ДВП).

При использовании методов внедрения ЦВЗ в частотную область, чаще всего используются ДКП и ДВП. Этому есть две причины. Во-первых, соответствующие преобразования эффективно используются при сжатии изображения. Во-вторых, ДКП используются в формате JPEG, а ДВП – в JPEG2000 соответственно. Поэтому использование данных преобразований при встраивании ЦВЗ в изображения вышеперечисленных форматов повышает стойкость ЦВЗ к компрессии изображения.

Целью статьи является обзор некоторых современных методов цифрового маркирования неподвижных изображений в частотной области, разработанных за последние несколько лет.

Схема полухрупкого водяного знака автора Раду О. Прэда Eoadu O. Preda) В своей работе [2] автор представил метод цифрового маркирования полутонового изображения полухрупким ЦВЗ для его аутентификации. Метод основан на блочном встраивании с использованием ДВП и случайных перестановок вейвлеткоэффициентов. Внедряемый ЦВЗ представляет собой случайную битовую последовательность w, сгенерированную секретным ключом k.

Процесс внедрения. Исходное изображение подвергается разложению двухмерным ДВП на L уровней. Затем осуществляется выбор коэффициентов из поддиапазонов LHn, HLn и HHn, где nL. Выбранный набор коэффициентов подвергается перестановкам при помощи секретного ключа. В свою очередь, получившаяся последовательность коэффициентов делится на группы по d элементов.

Параметр d определяет полезную нагрузку водяного знака. Бит ЦВЗ встраивается в каждую группу коэффициентов.

Среднее взвешенное значение каждой группы i вейвлет-коэффициентов оригинального изображения и помеченного изображения определяются по формуле (1) и (2) соответственно.

где ci(j) – j-ый коэффициент группы i.

где Q – шаг квантования, mod2 – остаток от деления на 2.

Используя полученные данные из формул (1) и (2) осуществляется изменение коэффициентов ci,max оригинального изображения с наибольшим абсолютным значением для каждой группы i по формуле (3) где ciwmax ( j) – коэффициент, помеченный водяным знаком и После произведенных преобразований осуществляется двухмерное ДВП для получения изображения, помеченного ЦВЗ.

Процесс извлечения. Процесс получения вейвлет-коэффициентов отмеченного ЦВЗ изображения осуществляется идентично процессу, осуществленному на этапе внедрения ЦВЗ. Среднее взвешенное значение mi определяется по формуле (1). Из каждого значения mi по формуле (4) извлекается бит ЦВЗ.

При помощи секретного ключа формируется ЦВЗ, который подвергается сравнению с полученным ранее. При полном совпадении исключается возможность модификации изображения. В противном случае измененные области изображения помечаются по представленному в работе [2] алгоритму.

Преимуществами данного метода является:

- низкая полезная нагрузка ЦВЗ и, как следствие, высокое качество помеченного изображения;

- точное обнаружение места подделки изображения;

- стойкость к локальным атакам, атакам подделки и коллажа;

- стойкость к JPEG-сжатию легкой и средней степени.

В работе [3] авторов Н. Ченталира Индра (N. Chenthalir Indra) и доктора Е. Рамараджа (E. Ramaraj) представлен метод цифрового маркирования на основе замечательного фасетного водяного знака (FFDW) и ДВП.

Водяной знак получается из исходного изображения при помощи алгоритма на основе сходства самоорганизующихся карт (SBS_SOM), предназначенного для искусственных нейронных сетей. Алгоритм представлен в работе [3]. Входные параметры алгоритма знает только авторизованный пользователь. Следовательно, без знания заданных параметров алгоритма обнаружение водяного знака не представляется возможным.

Из выбранного для защиты изображения извлекаются значения параметров R, G и B соответственно. Далее применяется алгоритм SBS_SOM. Для каждого из трех перечисленных выше параметров создается трехуровневая нейронная сеть для создания водяного знака. Выбираются параметры нейронных сетей, известные только авторизованному пользователю. Параметры R, G и B поступают на вход нейронных сетей для обучения. После первого прохода с третьего (выходного) слоя каждой сети получаются тренированные функции карт. По результатам сравнения между входными и полученными параметрами получаются три набора водяных знаков соответствующего цвета.

Процесс внедрения. К векторам красного, зеленого и синего цвета исходного изображения применяется ДВП. Атрибуты соответствующих трех цветов водяных знаков, полученных с выхода нейронных сетей, встраиваются в высокочастотные компоненты HH ДВП соответствующих цветов оригинального изображения. Для получения плоскостей соответствующих трех цветов отмеченного водяным знаком изображения применяется обратное вейвлет-преобразование. Помеченное водяным знаком изображение получается комбинированием трех плоскостей.

Процесс извлечения. К изображению применяется ДВП для извлечения ЦВЗ из высокочастотных компонентов. Для восстановления водяного знака применяется алгоритм SBS_SOM.

Преимуществами данного метода является:

- невозможность извлечения ЦВЗ без знания параметров алгоритма SBS_SOM;

- невозможность обнаружения ЦВЗ статистическими или корреляционными вычислениями;

- малое искажение изображения;

- высокая устойчивость к повреждениям и сжатию изображения, а также различному виду шумов: Гаусса, Спекла, Пуассона, соли и перца.

Обратимый алгоритм цифрового маркирования на основе хаотических систем Данный алгоритм разработан Квиалуном Гу (Qiaolun Gu) и Тиеганогом Гао (Tiegang Gao) и представлен ими в работе [4]. Хаотические системы используются для поиска места обратимости схемы и выбора позиции встраивания ЦВЗ. Использование данных систем способствует достижению баланса между обратимостью и стойкостью.

Перед встраиванием полутоновое изображение размером NN подвергается предварительной обработке, путем обрезания C0 пикселов по его краю. Полученное изображение X размером (N–2C0)(N–2C0) делится на неперекрывающиеся блоки размером 66.

Процесс внедрения. Хаотическая логистическая карта подвергается многочисленным итерациям по формуле (5) с заданным начальным параметром x0. В результате генерируется xn десятичных дробей.

Каждый блок размером 66 изображения X подвергается целочисленному вейвлет-преобразованию для получения блока элементов b размером низкочастотного поддиапазона LL1.

Для встраивания ЦВЗ необходимо для каждого блока 66 получить пару значений (b5, bn) и выбрать пороговое значение T. Для получения серийного номера n применяется формула где 1n9, n 5.

Если n = 5, то снова применяется формула (6). Процесс повторяется, пока не будет найден серийный номер, не равный 5. Далее осуществляется непосредственное внедрение ЦВЗ в контейнер. Если бит w водяного знака равен 1 и разность d между значениями b5 и bn находится в диапазоне [–Т; T], то внедрение осуществляется по формулам:

где Abs(x) – возвращает абсолютное значение x; Floor(x) – возвращает ближайшее целое значение x, которое меньше или эквивалентно x; Max(x, y) – возвращает большее между x и y; Min(x, y) – возвращает меньшее между x и y.

Если бит w водяного знака равен 1 и d>T или dT – 1, то w=1. В противном случае w = 0.