Программные продукты и системы

Статьи журнала №2 2017

1. Постановка задачи формирования направлений развития автоматизированных систем организационного типа и алгоритм ее решения [№2 за 2017 год]
Авторы: Лясковский В.Л. (l_vik_l@mail.ru) - Военная академия воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г.К. Жукова (профессор, советник генерального директора), доктор технических наук; Бреслер И.Б. (niiit@niiit.tver.ru) - Научно-исследовательский институт информационных технологий (доцент), кандидат военных наук; Алашеев М.А. (niiit@niiit.tver.ru) - Научно-исследовательский институт информационных технологий (специалист), кандидат технических наук;
Аннотация: В статье рассматриваются постановка задачи формирования направлений развития автоматизированных систем обработки информации и управления организационного типа и алгоритм ее решения. Необходимость решения данной задачи обусловлена тем, что многие автоматизированные системы создаются и эксплуатируются в течение десятилетий, при этом в процессе эксплуатации меняются требования, предъявляемые к этим системам, поэтому возникает потребность в периодическом формировании решений по приведению состояния автоматизированной системы в соответствие новым требованиям. В качестве основного показателя эффективности формируемых решений принят комплексный показатель, характеризующий степень автоматизации функциональных процессов, реализуемых в системе. В качестве ограничений выступают требования к обязательной автоматизации наиболее важных функциональных процессов и своевременности их выполнения, а также предельно допустимые финансовые и временные ресурсы процесса развития автоматизированной системы. Проведенный анализ алгоритмической сложности решения задачи показывает невозможность ее решения путем рассмотрения всех возможных вариантов из-за экспоненциальной зависимости количества решений от размерности исходных данных. В связи с этим разработан эвристический алгоритм, позволяющий существенно сократить количество рассматриваемых вариантов и получить рациональное решение задачи при относительно небольшой вычислительной сложности. Предложенный алгоритм позволяет обосновать решения по разработке и изготовлению комплексов средств автоматизации для оснащения органов управления из состава автоматизированных систем обработки информации и управления организационного типа, а также продления ресурса действующих в системе средств автоматизации. Предполагается реализовать алгоритм в автоматизированной системе поддержки принятия решений, представляющей собой программный комплекс, функционирующий на ПЭВМ потребительского класса.
Ключевые слова: автоматизированная система, проектирование систем управления, жизненный цикл систем управления, комплекс средств автоматизации
Keywords: an automated system issue, , automated control system design, life cycle of automated control systems, automation facilities set
Просмотров: 7769

2. Формирование вариантов развиФормирование вариантов развития энергетики Вьетнама методами комбинаторного моделирования [№2 за 2017 год]
Авторы: Еделев А.В. (flower@isem.sei.irk.ru) - Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (старший научный сотрудни), кандидат технических наук; Зоркальцев В.И. (zork@isem.irk.ru) - Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (главный научный сотрудник), доктор технических наук; Доан Ван Бинь (doanbinh@ies.vast.vn) - Институт энергетической науки ВАНТ (директор института), кандидат технических наук; Нгуен Хоай Нам (nhnam@ies.vast.vn) - Институт энергетической науки ВАНТ (зав. лабораторией);
Аннотация: В статье рассмотрен подход комбинаторного моделирования к исследованию вариантов развития энергетики страны. Основу подхода составляет представление развития моделируемой системы в форме направленного графа, узлы которого соответствуют возможным состояниям системы в отдельные моменты времени, а связи характеризуют допустимость переходов из одного состояния в другое. Методы комбинаторного моделирования, являясь наглядной формой представления динамических дискретных ветвящихся альтернатив, позволяют имитировать долгосрочный процесс развития исследуемой системы при различных возможных внешних и внутренних условиях, учитывая дискретность будущих состояний системы, определять рациональную стратегию развития исследуемой системы. Процедуры формирования и анализа графа развития энергетики страны реализованы в виде пакета прикладных программ «Корректива». Анализ графов развития больших размеров проводится с помощью распределенных вычислений. Приводится описание исследования устойчивого развития энергетики Вьетнама и его энергетической безопасности с 2015 по 2030 гг., выполненного в 2015 г. Институтом энергетической науки Вьетнамской академии науки и технологий. На основе данных этого исследования показано применение методов комбинаторного моделирования для формирования и анализа вариантов устойчивого развития энергетики Вьетнама с учетом требований энергетической безопасности. Создан граф развития топливно-энергетического комплекса Вьетнама, состоящий из 531 442 узлов. Его обсчет проводился в распределенной вычислительной среде, состоящей из вычислительных узлов высокопроизводительного кластера Института динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова Сибирского отделения Российской академии наук. На основе результатов расчета была определена оптимальная стратегия развития энергетики Вьетнама, обеспечивающая минимум затрат на развитие и функционирование топливно-энергетического комплекса в рассматриваемый период времени.
Ключевые слова: комбинаторное моделирование, система энергетики, топливно-энергетический комплекс, поддержка принятия решений, распределенная вычислительная среда
Keywords: combinatorial modelling, energy development, fuel and energy sector, decision support, distributed computing environment
Просмотров: 7244

3. Принцип минимизации эмпирического риска на основе агрегирующих функций средних потерь для решения задач регрессии [№2 за 2017 год]
Авторы: Шибзухов З.М. (szport@gmail.ru) - Институт прикладной математики и автоматизации (ведущий научный сотрудник), доктор физико-математических наук; Димитриченко Д.П. (dimdp@rambler.ru) - Институт прикладной математики и автоматизации (старший научный сотрудник), кандидат технических наук; Казаков М.А. (f_wolfgang@mail.ru) - Институт прикладной математики и автоматизации (младший научный сотрудник);
Аннотация: В настоящей работе предлагается расширенный вариант принципа минимизации эмпирического риска для решения задачи регрессии. Он строится на основе применения усредняющих агрегирующих функций для вычисления эмпирического риска вместо среднего арифметического. Это оправданно, если распределение потерь имеет выбросы или существенно искажено, отчего оценка риска как средних потерь с самого начала является смещенной. Поэтому в таких случаях при оптимизации параметров в задаче регрессии изначально следует использовать робастную оценку среднего риска. Подобные оценки среднего риска можно построить, используя усредняющие агрегирующие функции, которые являются решением задачи минимизации штрафной функции за отклонение от своего среднего значения. Такой подход для представления агрегирующих функций среднего позволяет, с одной стороны, определить значительно более широкий класс функций среднего, а с другой, определить дифференцируемые функции среднего, которые аппроксимируют недифференцируемые функции среднего, такие как медиана или квантиль. В результате появляется возможность построить градиентные методы решения задачи регрессии, в определенном смысле аппроксимирующие робастные методы, такие как Least Median и Least Quantile. В настоящей работе предлагается новая градиентная схема для решения задачи минимизации среднего риска. Она является аналогом схемы, применяемой в алгоритме SAG в случае, когда риск вычисляется при помощи среднего арифметического. Приведен иллюстративный пример построения робастной процедуры оценки параметров в задаче линейной регрессии на базе использования усредняющей функции среднего, аппроксимирующей медиану.
Ключевые слова: агрегирующая функция, агрегирующая операция, эмпирический риск, регрессия, штрафная функция, процедура градиентного спуска
Keywords: aggregation function, aggregation operation, empirical risk, regression, penalty function, gradient descent procedure
Просмотров: 6264

4. Сжатое представление строгих ассоциативных правил в анализе данных [№2 за 2017 год]
Авторы: Быкова В.В. (bykvalen@mail.ru) - Сибирский Федеральный университет (профессор), доктор физико-математических наук; Катаева А.В. (kataeva_av@mail.ru) - Краевая клиническая больница (инженер-программист);
Аннотация: Современные методы и средства поиска ассоциативных правил в больших массивах данных приводят к значи- тельному множеству правил, многие из которых являются избыточными. Избыточные ассоциативные правила не представляют ценности, но могут вводить в заблуждение. Для решения этой проблемы предложен алгоритм MClose, являющийся модификацией алгоритма Close. Известно, что с помощью алгоритма Close можно построить минимаксный базис для строгих ассоциативных правил (правил с достоверностью 1). Минимаксный базис интересен для экспертов тем, что каждое входящее в него правило имеет минимальную посылку и максимальное следствие. Однако минимаксный базис может содержать избыточные ассоциативные правила. Алгоритм MClose позволяет в процессе построения минимаксного базиса устранять избыточные правила. Результирующий базис назван сжатым строгим базисом. Удаленные ассоциативные правила всегда можно получить из сжатого строгого базиса с сохранением их поддержки и достоверности без обращений к анализируемому массиву данных. Алгоритм MClose основан на соответствиях Галуа и выводимостях, подобных аксиомам Амстронга, которые используются в теории реляционных БД для функциональных зависимостей. Как показали вычислительные эксперименты, алгоритм MClose по времени работы сопоставим с алгоритмом Close. Однако он примерно в два раза уменьшает число ассоциативных правил минимаксного базиса. В работе дано описание программы, в которой представлены алгоритмы MClose и Close.
Ключевые слова: анализ данных, соответствия галуа, замкнутые множества, ассоциативные правила, неизбыточность, сжатый строгий базис
Keywords: data analysis, galois connection, closed sets, association rules, non-redundancy, concise strong basis
Просмотров: 8664

5. Effective algorithm for constructing associative rules [№2 за 2017 год]
Авторы: Биллиг В.А. (Vladimir-Billig@yandex.ru) - Тверской государственный технический университет, г. Тверь (доцент, старший научный сотрудник, профессор ), кандидат технических наук;
Abstract: Constructing associative rules is one of the most important algorithms for extracting knowledge from databases. All modern algorithms are somehow connected with Apriori algorithm proposed in R. Agrawal’s and his co-authors’ works published more than 20 years ago and now considered classical. The known effective implementations of the algorithm are connected with database compression and presentation of data structure as a tree, which allows effective evaluation of support and other characteristics of associative rules. The proposed ConApriori algorithm does not use the above idea. We regard database transactions as enumeration given by a scale. This allows instant calculation of the basic algorithm operation determining whether some set is a subset of another set or not. The calculations are reduced to several logical computer commands. Enumeration also allows us to treat the transaction in the internal presentation as a number, preserving the meaning of the transaction elements in their external presentation at the same time. Another idea used in the algorithm allows us to construct most of the confident rules on the basis of those previously built. This article provides evidence for correctness of the algorithm as well as evaluate its complexity. We analyze its effectiveness compared with other known algorithm implementations. Possibility of parallelization is also considered. Keywords: data mining, apriori, associative rules, support, confidence, lift, enumeration, scale, database, transaction,
Keywords: data mining, apriori, associative rules, support, confidence, lift, enumeration, scale, database, transaction, knowledge discovery, parallel computation, correctness, complexity, anti-monotony
Ключевые слова: data mining, априори, ассоциативные правила, поддержка, достоверность, лифт, перечисление, шкала, database, транзакция, обнаружение знаний, параллельные вычисления, корректность, сложность, антимонотонность
Просмотров: 9594

6. Параллельные вычисления при реализации web-инструментария распознавания образов на основе методов прецедентов [№2 за 2017 год]
Авторы: Фомин В.В. (v_v_fomin@mail.ru) - Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена (профессор), доктор технических наук; Александров И.В. (chrono555@yandex.ru ) - Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена (аспирант);
Аннотация: Предлагается программное решение, направленное на улучшение качества распознавания образов и повышение эффективности инструментария машинного обучения посредством реализации grid-технологий. Формулируются стратегические направления разработки инструментария распознавания образов в виде программной системы, основанной на принципах распределенных систем, распараллеливания и адаптивной настройки вычислительных ресурсов. Рассматривается структура организации web-инструментария распознавания образов с использованием концепции библиотеки алгоритмов. Даются алгоритмические решения распараллеливания алгоритмов обучения и распознавания на базе классических методов интеллектуального анализа данных, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. К таким алгоритмам относятся методы прецедентов или методы, основанные на метриках близости. Они обладают большим потенциалом к распараллеливанию вычислительных процессов и разработке параллельных алгоритмов их реализации. Поиски путей повышения производительности вычислительной техники, особенно при реализации web-инструментария на основе ресурсоемких вычислительных алгоритмов машинного распознавания и прогнозирования, привели к решению создать grid-систему. Рассматриваемые в статье архитектура и реализация grid-системы предполагают распараллеливание и организацию распределенных вычислений на многомашинной основе с применением интернет-технологий, что позволяет получить практически те же вычислительные мощности, что и на многопроцессорных компьютерных системах, но с гораздо меньшей стоимостью. В статье решается задача повышения эффективности вычислительных ресурсов при возможности реконфигурирования структуры интернет-соединений, в том числе процедуры настройки структуры вычислительной сети, подключаемых каналов связи и выделенных серверов в зависимости от исходных алгоритмов и данных. Представлены зависимости параметров времени выполнения операций от дисциплины обслуживания, адаптирующей систему к запросам пользователей. При этом задачи ранжируются по ресурсоемкости и под них выделяются соответствующие их рангу вычислительные мощности.
Ключевые слова: интеллектуальные информационные системы, распознавание образов, машинное обучение, web-системы, параллельные вычисления
Keywords: : intelligent information systems, pattern recognition, machine learning, web systems, parallel computing
Просмотров: 9577

7. Однородная распределительная задача на основе моделей адаптивного поведения муравьиной колонии [№2 за 2017 год]
Авторы: Лебедев Б.К. (lebedev.b.k@gmail.com) - Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (профессор), доктор технических наук; Лебедев О.Б. (lebedev.ob@mail.ru) - Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (доцент), кандидат технических наук; Лебедева Е.М. (lebedeva.el.m@mail.ru ) - Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (аспирант);
Аннотация: В данной работе предлагается решение однородной распределительной задачи. Приводится постановка этой задачи, рассматриваются основные группы алгоритмов ее решения – приближенные и точные, а также их достоинства и недостатки. Описана предлагаемая новая парадигма кoмбинатopной oптимизации, базирующаяся на моделировании адаптивного поведения муравьиной колонии. Решением однородной распределительной задачи является ее графическое представление в виде двудольного графа. Для решения данных задач были предложены новые механизмы. Основу метаэвристики алгоритма на основе муравьиной колонии составляет комбинация двух техник. Базовая техника состоит в поиске наилучшего решения с использованием механизмов адаптивного поведения муравьиной колонии. Муравей строит какое-то конкретное решение, при этом используется встроенная процедура, в основе которой лежит конструктивный алгоритм. Построенный на графе поиска решений двудольный граф – основное отличие предлагаемого муравьиного алгоритма от существующей канонической парадигмы. При нахождении оптимальных решений оптимизационных задач, которые допускают представление решений в виде двудольных графов, данный подход будет достаточно эффективным. Проведенные исследования показали, что муравьиный алгоритм позволяет получать более качественные решения, чем известные алгоритмы. Сравнив результаты, можно сказать, что они улучшились на 3–4 %.
Ключевые слова: задача о назначениях, двудольный граф, оптимизация, роевой интеллект, муравьиная колония, адаптивное поведение, однородная распределительная задача
Keywords: assignment problem, bipartite graph, optimisation, swarm intelligence, ant colony, adaptive behavior, homogeneous distribution proble
Просмотров: 8290

8. Автоматизированная система обработки данных в unix-подобных системах [№2 за 2017 год]
Авторы: Пальчевский Е.В. (teelxp@inbox.ru) - Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации (преподаватель); Халиков А.Р. (khalikov.albert.r@gmail.com) - Уфимский государственный авиационный технический университет (доцент), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: Данная статья посвящена распределенно-модульной обработке информации в автоматизированном режиме. Эта разработка позволяет принимать входящие и исходящие данные на физический сервер в объеме до 2,2 GB/s, при этом распределяя потоковую информацию (весь входящий сетевой трафик на сервер) по физическим и логическим ядрам. Показана нагрузочная зависимость физических ресурсов от входящей информации. Обоснована целесообразность применения разработанного аппаратно-программного комплекса SDP (Speed data processing), а также представлены структура и принципиальная схема работы. На первом этапе создания комплекса осуществляется разработка алгоритма, на втором – его техническая реализация. Приведен фрагмент исходного кода, отвечающего за уведомления на e-mail как о нагрузке на центральный процессор, так и об основных запускаемых процессах. Описан основной функционал со следующими данными: название функции, цель функции, теоретическая нагрузка, лимит передачи данных (в MB/s) и результат выполнения. На третьем этапе проводится тестирование комплекса SDP, представлены среднесуточные результаты за десять дней. Созданный аппаратно-программный комплекс позволяет эффективно обрабатывать входящую и исходящую информацию в автоматическом режиме для увеличения пропускной способности при приеме и отправке данных в СУБД MySQL, в том числе при DoS- и DDoS-атаках. Одной из частей комплекса является web-модуль для управления как с персонального компьютера, так и с мобильного телефона. В мониторинговой части web-модуля реализована возможность уведомления SMS-сообщениями о состоянии загруженности физического сервера. Разработанный аппаратно-программный комплекс показал высокую стабильность при обработке больших объемов данных с минимальной нагрузкой на ЭВМ.
Ключевые слова: обработка информации, нагрузка на вычислительные ресурсы, организация данных, снижение нагрузки информационных потоков, потоки информации, sms-уведомление, распределенная система, центр обработки данных
Keywords: information processing, load on computing resources, data structure, lowering of information flow loading, information flows, sms notification, information processing system, data-processing centre
Просмотров: 8502

9. Обобщенно-периодические движения динамических и неавтономных периодических систем [№2 за 2017 год]
Авторы: Афанасьев А.П. (apa@isa.ru) - Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН (ИППИ РАН), Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (профессор), доктор физико-математических наук; Дзюба С.М. (sdzyuba@mail.ru) - Тверской государственный технический университет (профессор), доктор физико-математических наук; Емельянова И.И. (emelyanova-123@yandex.ru) - Тверской государственный технический университет (ст. преподаватель);
Аннотация: Настоящий обзор посвящен истории изучения ситуации общего положения движений динамических и неавто-номных периодических систем, поскольку, как оказалось, полное и подробное описание ситуации общего положения позволяет решить проблему построения обобщенно-периодических движений динамических и неавтономных периодических систем. Необходимость численного изучения указанных систем объясняется тем, что подавляющее большинство моделей реальных технических, биологических, экономических и др. процессов описываются именно такими системами. В автономном случае обобщенно-периодическое движение эквивалентно классическому рекуррентному движению, введенному и изученному еще Дж. Биркгофом. С понятием рекуррентного движения прямо связано понятие минимального множества. Именно эти два понятия и определяют ситуацию общего положения классических динамических систем. Особое значение построение и исследование рекуррентных движений и минимальных множеств приобрели в связи с потребностями хаотической динамики и гиперболической теории. Однако еще до недавнего времени отсутствовали общие методы построения рекуррентных движений и минимальных множеств: все сводилось к построению аттракторов отдельных систем дифференциальных уравнений с полилинейной правой частью. Открытие же понятия обобщенно-периодического движения привело к созданию общего метода построения и исследования всех минимальных множеств, содержащихся в предельных множествах динамических систем. Более того, понятие обобщенно-периодического движения позволило перенести все основные понятия классической теории динамических систем на неав- тономные периодические системы и описать ситуацию общего положения в таких системах с единых позиций. Со- ответственно, появилась возможность прямого переноса метода построения рекуррентных движений на построение обобщенно-периодических движений неавтономных периодических систем, что позволило выполнять численное построение таких движений с единых позиций.
Ключевые слова: динамические и неавтономные периодические системы, ситуация общего положения, обобщенно-периодические движения, построение обобщенно-периодических движений
Keywords: dynamical and non-autonomous periodic systems, situation of typical behavior, generalized-periodic motions, construction of generalized-periodic motions
Просмотров: 3885

10. Оценка эффективности методов решения задач обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем [№2 за 2017 год]
Автор: Есиков Д.О. (mcgeen4@gmail.com) - Тульский государственный университет (аспирант);
Аннотация: Для принятия обоснованных решений в части организации процессов хранения и обработки данных для обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем предложено применять комплекс разработанных математических моделей оптимизации распределения элементов ПО функциональных задач по узлам сети, распределения информационных ресурсов по центрам хранения и обработки данных, состава технических средств системы хранения и обработки данных, распределения резерва информационных ресурсов по центрам хранения и обработки данных. Показано, что данные задачи относятся к классу задач дискретной оптимизации с булевыми переменными. Для решения формализованных задач предложено и экспериментально проверено применение метода ветвей и границ и генетических алгоритмов. Для повышения эффективности этого метода рекомендован алгоритм предварительного определения порядка ветвления переменных путем однократного решения приближенным методом задачи, двойственной по отношению к исходной. Проведена экспериментальная проверка эффективности метода ветвей и границ для решения задач обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем, в том числе с использованием алгоритма предварительного определения порядка ветвления переменных. Дана оценка влияния исходных данных на общую производительность метода ветвей и границ. Определены наиболее эффективные для решения разработанных задач стратегии ветвления переменных. Предложены варианты основных операторов, а также схемы начальной инициализации исходной популяции генетического алгоритма для решения задач обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем. Для повышения качества получаемого генетическим алгоритмом решения обосновано использование адаптивной схемы репродукции особей и островной схемы организации вычислений. Экспериментально проверена эффективность предложенных генетического и островного генетического алгоритмов и определены параметры генетических алгоритмов, обеспечивающие максимальное качество получаемого решения. Подтверждена возможность управления точностью получаемого решения за счет изменения параметров алгоритма при введении ограничений на время решения. Дана сравнительная оценка метода ветвей и границ и островного генетического алгоритма при решении формализованных задач, определены области их эффективного применения.
Ключевые слова: распределенная информационная система, устойчивость функционирования, математические модели, метод ветвей и границ, двойственная задача, генетический алгоритм, островной генетический алгоритм, адаптивная схема репродукции
Keywords: distributed information system, operational sustainability, mathematical models, branch-and-bound method, dual problem, generic algorithm, island genetic algorithm, adaptive reproduction scheme
Просмотров: 9211

| 1 | 2 | 3 | Следующая → ►