Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 4 за 2020 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам

1. Вопросы построения и применения базы знаний в проектировании и производстве инновационных объектов [№4 за 2020 год]
Авторы: Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., До Суан Чо, До Хай Куан
Просмотров: 5022
В статье рассматриваются принципы построения и применения базы знаний для инновационных объектов. Описываются формирование и применение базы знаний при проектировании и производстве на примере замкнутой системы управления нейтрализацией выхлопных газов авто-транспорта, являющейся инновационным объектом в области функционирования системы управления «природа–техногеника». Обоснован выбор замкнутой системы управления нейтрализацией выхлопных газов автотранспорта в качестве эталона инновационных объектов проектирования и производства. Сквозной цифровой процесс проектирования и производства этого объекта строит-ся на основе базы знаний и включает разработку принципиальных и электрических схем, конструкторских решений и документации, ПО, а также изготовление, сборку и настройку прототипов. В базу знаний вводятся необходимные для проектирования и производства рассматриваемого объекта данные и знания. Так, для этапа схемотехнического проектирования вводится электрическая схема замкнутой системы управления нейтрализацией выхлопных газов автотранспорта, разрабатываемая инструментами проектирования PCAD в соответствии с хранящимися в базе знаний установленными стандартами. Средства САПР и автоматизированных систем технологической подготовки производства для дальнейших процедур обеспечивают учет стандартов IPC также через базу знаний, в том числе разработку конструкторских решений и документации на изготовление печатных плат и других элементов. На основе базы знаний выполняется и разработка проектной документации на последующих этапах проектирования. При этом хранящиеся в ней фрагменты конструкции используются для новых конструкторских решений и изготовления конструкторской документации. Предложена система управления базой знаний, позволяющая с помощью нотации UML выполнять ее поддержку разработчиками, получать ответы на запросы рядовых инженеров-проектировщиков (схемотехников, конструкторов, технологов, испытателей), обеспечивать ввод и контроль знаний экспертами. Приводится интерфейс пользователя, в котором представляются поля ввода запросов и индикации ответов, а также операторы управления и визуализации. На примерах показано применение разработанной базы знаний для процедур схемотехнического и конструкторского этапов проектирования и технологической подготовки производства. Применение базы знаний для конкретных проектных и производственных процедур осуществляется на основе проблемно-ориентированных языков пользователей при формировании запросов и ответов. Полученные результаты распространяются на широкий класс инновационных объектов.

2. Использование статистических индексов для различения научных и научно-популярных текстов на примере трудов А.Е. Ферсмана [№4 за 2020 год]
Авторы: Горбич Л.Г., Живодеров А.А.
Просмотров: 2358
С развитием информационной техники и информационных систем актуализировалась проблема разработки методик машинной атрибуции текстов. Эти методики могут быть использованы для автоматического поиска текстов необходимого жанра и стиля и установления авторства с помощью компьютерных технологий. В основу разработки рассматриваемой в статье методики была положена гипотеза о том, что существуют структурные особенности текста, которые позволяют без учета смыслового содержания отнести его к определенному жанру или автору на основе вычисления чисто количественных значений некоторых параметров и индексов. Авторы наряду с другими исследователями в течение ряда лет занимались разработкой таких индексов и формированием из них оптимального набора и добились в этом определенных успехов. В частности, был сформирован набор индексов, позволяющий правильно классифицировать тексты по жанру с вероятностью до 86 %. Для решения задачи автоматической классификации научных и научно-популярных текстов авторы применили и усовершенствовали набор статистических индексов, разработанный ими ранее для атрибуции других стилей. В качестве материала исследования были взяты труды академика А.Е. Ферсмана. Одной из особенностей этого автора является стилевая двойственность – наличие большого числа принадлежащих ему как научных, так и научно-популярных текстов, что создало уникальную возможность для попытки решения задачи автоматической классификации стилей текстов, принадлежащих одному автору. В ходе работы было показано, что выборочные средние статистических индексов для текстов двух стилей достоверно различаются. Применяя методы дискриминантного анализа, логистической регрессии и ROC-кривых, авторы продемонстрировали возможность автоматической классификации текстов двух стилей и с помощью оптимизации используемого набора индексов добились существенного повышения качества классификации. Предложен также новый статистический индекс, позволяющий минимизировать вычислительные затраты и успешно (до 100 % точности) решать задачу классификации научных и научно-популярных текстов даже при использовании его в качестве единственного фактора. Результаты исследования были проверены на текстах других авторов.

3. Исследование алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров при частичной загрузке вычислительных узлов на суперкомпьютерных системах [№4 за 2020 год]
Авторы: Лапшина С.Ю., Сотников А.Н., Логинова В.Е.
Просмотров: 5500
В статье рассматривается поведение алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров в ходе проведения имитационных экспериментов задачи мультиагентного моделирования процессов распространения массовых эпидемий при частичной загрузке запрашиваемых вы-числительных узлов современных суперкомпьютерных систем, установленных в Межведомственном суперкомпьютерном центре Российской академии наук (МСЦ РАН). Алгоритм многократной маркировки перколяционных кластеров – универсальное средство, которое может быть использовано в любой области в качестве инструмента дифференцирования кластеров решетки большого размера. На вход он получает данные в формате, не зависящем от приложения. Так, в МСЦ РАН этот инструмент был использован для изучения задачи распространения эпидемий. Возможно применение данного алгоритма для изучения поведения нефтяных пластов, процессов протекания воды через пористые материалы, распространения лесных пожаров и многого другого. В ходе имитационных экспериментов применялся усовершенствованный на многопроцессорной системе вариант алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров Хошена–Копельмана, связанный с механизмом линковки меток. В статье проводится сравнительный анализ времени выполнения алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров Хошена–Копельмана при частичной и полной загрузке вычислительных узлов и при различных значениях входных параметров на четырех основных высокопроизводительных вычислительных системах, установленных в МСЦ РАН – суперкомпьютерах МВС-10П МП2 KNL, МВС-10П ОП, МВС 10П Торнадо, МВС-100К.

4. Метод автоматического трекинга стволовых клеток по данным магнитно-резонансной томографии [№4 за 2020 год]
Автор: Шустова М.В.
Просмотров: 4152
Применение стволовых клеток для терапии тяжелых заболеваний – перспективное направление современных биомедицинских исследований. После трансплантации в места заболеваний стволовые клетки оказывают, предположительно, восстановительный эффект, в том числе уменьшая очаги ишемического поражения мозга после инсульта, но точный механизм воздействия до конца не исследован. Существует острая необходимость в разработке новых эффективных и без-опасных подходов к лечению больных путем трансплантации стволовых клеток. Успешное применение клеточной терапии возможно только после глубокого изучения взаимодействия клеток с локальным микроокружением (пути миграции в органы и ткани организма, их влияние на очаги поражения) и разработки алгоритмов эффективного использования стволовых клеток. Совмещение современных методов магнитно-резонансной томографии и методов научной визуализации делает возможным построение карт миграции и распространения стволовых клеток после трансплантации. Последнее является крайне важным для понимания механизмов действия стволовых клеток при ишемическом инсульте головного мозга для подготовки и планирования клинических испытаний. Для решения задачи трекинга стволовых клеток требуется наличие соответствующего инструментария. На сегодняшний день разработано большое количество программных средств обработки и анализа биомедицинских данных, однако их недостаточно для автоматического отслеживания путей миграции стволовых клеток и динамики изменения области ишемического поражения. Существует необходимость в разработке новых средств для решения этих задач. Настоящая работа посвящена автоматическому трекингу скоплений мезенхимальных стволовых клеток, трансплантированных в ишемизированный головной мозг лабораторных животных. Формализация решения сведена к транспортной задаче. Наиболее вероятное движение скоплений визуализируется с помощью средств когнитивной графики. Одновременно с трекингом стволовых клеток выполняется моделирование области ишемического поражения. Разработанный инструментарий обеспечивает проведение расчетов, связанных с унификацией представления головного мозга различных особей для последующего измерения поврежденных областей, а также выполнение глубокой обработки и когнитивной визуализации, связанной с научной подсветкой областей интереса исследователя. Результаты моделирования и измерений проанализированы на предмет влияния трансплантированных клеток на очаги ишемического инсульта головного мозга. Анализ с применением разработанного инструментария показал, что скопления стволовых клеток действительно мигрируют в область ишемического поражения, а объем очага ишемии со временем уменьшается.

5. Метод синтеза адаптивной радиотехнической следящей системы [№4 за 2020 год]
Автор: Буцев С.В.
Просмотров: 2363
Радиотехнические следящие системы различного целевого назначения функционируют при наличии одновременно неопределенностей как параметров отслеживаемого процесса, так и обобщенного возмущения. Автором статьи разработан метод синтеза алгоритмов функционирования адаптивной радио-технической следящей системы, состоящей из адаптивного фильтра и адаптивной системы управления. Синтез адаптивного фильтра, отслеживающего входной сигнал, включает разработку скользящего алгоритма адаптации на основе непосредственной оценки параметров фильтра, в частности, весовых коэффициентов усиления, формируемых блоком адаптации и используемых в основном фильтре следящей системы. В статье предлагается использовать двухуровневую структуру, включающую два этапа синтеза: основного контура управления (оптимального регулятора) и контура адаптации (адаптивного регулятора). Оптимальный регулятор синтезируется на основе принципов теории оптимального управления стохастическими процессами при условии, что параметры объекта управления радио-технической следящей системы постоянны и известны, а внешние возмущения не меняются (либо отсутствуют). Синтез адаптивного регулятора проводится для случая одновременного наличия неопределенности параметров объекта управления радиотехнической следящей системы и внеш-них возмущений, действующих на него (модель возмущений объекта управления радиотехнической следящей системы), на основе рекуррентной модификации метода идентификации по наименьшим квадратам. Предложенный подход позволил формализовать задачу функционирования адаптивной радио-технической следящей системы в условиях неопределенности параметров обобщенного возмущения. Получены новые соотношения для оценок коэффициентов усиления адаптивного фильтра и матрицы передачи адаптивного регулятора. Разработанная система обеспечивает эффективное функционирование в рамках формализованного описания качества на основе квадратичного функционала, характеризующего точность работы системы и затраты на ее управление. В статье приводятся некоторые результаты оценки эффективности функционирования синтезированной адаптивной радиотехнической следящей системы.

6. Метод функционирования системы бортовых РЛС при обеспечении скрытности их работы на излучение [№4 за 2020 год]
Авторы: Богданов А.В., Закомолдин Д.В., Акимов С.И.
Просмотров: 3381
Живучесть летательного аппарата военного назначения в существенной степени зависит от живучести его бортовой РЛС, основными направлениями повышения которой являются, во-первых, применение многопозиционного принципа построения бортовых РЛС, во-вторых, повышение скрытности ее работы на излучение. В статье поставлена и решена задача разработки метода, объединяющего данные направления повышения живучести. Применение многопозиционного принципа реализовано за счет объединения всех бортовых РЛС в единую систему, управляемую бортовой РЛС самолета-лидера, определяемого заранее и выполняющего функцию пункта обработки радиолокационной информации, поступающей с бортовых РЛС всех самолетов группы, и выдачи информации на все самолеты группы о требуемых параметрах работы их бортовых РЛС. Обеспечение скрытности работы си-стемы бортовых РЛС на излучение при обнаружении группы самолетов противника, оснащенных станциями радиотехнической разведки, реализовано посредством приема на каждой бортовой РЛС системы информации с самолета-лидера о требуемых параметрах работы их бортовых РЛС, а именно значений средней мощности излучения передатчика, времени когерентного накопления в приемнике и времени облучения воздушной цели и формирования текущих значений данных управляемых параметров работы бортовой РЛС таким образом, чтобы разность между требуемыми и текущими значениями параметров работы бортовых РЛС была равна нулю. Проводимые на борту самолета-лидера вычисления, приведенные в статье, выдача результатов вычислений на каждую бортовую РЛС системы, а также управление параметрами работы каждой бортовой РЛС системы позволяют контролировать отношение сигнал/шум, формируемое на входе приемников всех станций радиотехнической разведки противника, и тем самым обеспечить скрытность работы системы бортовых РЛС на излучение с заданной вероятностью при обнаружении группы самолетов противника, оснащенных станциями радиотехнической разведки.

7. Моделирование аттрактора Лоренца [№4 за 2020 год]
Авторы: Филиппов Ф.В., Струев А.М., Золкин А.Л.
Просмотров: 6226
В статье на примере построения аттрактора Лоренца изложен механизм, позволяющий применять систему Scilab при моделировании динамических систем, сохраняя при этом высокую точность полученных данных. Модель Лоренца представляет собой реальный физический пример динамических систем с хаотическим поведением, чем отличается от созданных искусственно. Удалось установить, что закон, выведенный Лоренцем, имеет исключительную важность, по-скольку характеризует процессы как в турбулентных потоках, так и в физике лазеров и гидродинамических систем, в биологии и химии. В работах, посвященных численному исследованию системы Лоренца при классических значениях ее параметров, очень часто делаются заключения о структуре аттрактора на основе данных, полученных из вычислительного эксперимента (например, что аттрактор содержит циклы). Программа, предложенная авторами к рассмотрению, делится на две основные части. Первая часть регламентирует создание функции пользователя solv_lor(n), характеризующей систему дифференциальных уравнений, моделирующих аттрактор Лоренца. Во второй части листинга со-держится вызов этой функции. Дана характеристика изменений в поведении решения системы Лоренца с применением различных значений параметра r. Отражены результаты моделирования с применением различных значений параметра r. Выявлены значительные изменения траектории при больших значениях параметра. Программой задана функция пользователя lorenz(t, y), в работе с которой применяются численные способы, используемые для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Кроме того, система на качественно высоком уровне позволяет осуществлять графическое моделирование решений. Предусмотрен набор графических инструментов для выполнения динамического редактирования графиков и управления параметрами графического окна. Проведенные компьютерные эксперименты доказали простоту и удобство применения системы Scilab при моделировании динамических систем, сохраняя при этом высокую точность полученных результатов.

8. Моделирование процесса теплопроводности с использованием систем клеточных автоматов [№4 за 2020 год]
Авторы: Бобков С.П., Галиаскаров Э.Г.
Просмотров: 3417
Статья посвящена вопросам использования дискретных динамических моделей в качестве альтернативы классическим методам исследования тепловых процессов химической технологии. Адекватное описание явлений при передаче тепла является чрезвычайно важной задачей как в теоретическом плане, так и с позиций практического использования тепловых процессов. Кроме того, современные методы обучения требуют внедрения электронных учебников, виртуальных лабораторных практикумов, моделирующих программ, которые также нуждаются в корректном описании исследуемых явлений. Классический подход к моделированию передачи тепла в сплошной среде предполагает использование уравнений теплопроводности, в которых теплофизические характеристики материалов обычно являются константами. Учет влияния температуры на характеристики материалов приводит к необходимости исследовать нелинейные уравнения, что вызывает значительные вы-числительные сложности. В связи с этим целесообразно использовать принципиально иные под-ходы к моделированию теплопроводности, одним из которых являются модели на основе систем клеточных автоматов. В работе использованы дискретные динамические модели в виде систем детерминированных клеточных автоматов. При этом сплошная среда рассматривается как совокупность взаимодействующих элементов, поведение которых полностью описывается локальными функциями. Описаны основные подходы и общая методология разработки дискретных моделей. Рассмотрены примеры использования систем клеточных автоматов для моделирования нелинейных процессов теплообмена с учетом неоднородности материала и наличия в нем объемных источников переменной мощности. Полученные данные дискретного моделирования хорошо согласуются с результатами использования классического подхода и не противоречат общепринятым взглядам, принятым в теории тепловых явлений. В работе показаны особенности дискретного подхода в сравнении с применением уравнений в частных производных с нелинейными коэффициентами, указаны достоинства и недостатки.

9. Оптимизация расчета освещения интерьерных сцен для стохастической трассировки лучей [№4 за 2020 год]
Авторы: Ершов С.В., Валиев И.В., Волобой А.Г.
Просмотров: 2841
Компьютерное моделирование освещенности и построение реалистичных изображений повышают эффективность проектирования зданий. Наиболее распространенным методом, используемым для этого моделирования, является двунаправленная стохастическая трассировка лучей. В статье рассматривается улучшение трассировки лучей методом Монте-Карло, которое оптимизирует излучение лучей от источника естественного света для интерьерных сцен. Предложенные алгоритмы позволяют ускорить сходимость метода, то есть уменьшить шум, остающийся после заданного времени трассировки, и таким образом улучшить итоговое изображение виртуальной сцены. Эти алгоритмы эффективны для сцен внутри помещений, освещаемых снаружи через окна или другие отверстия. Лучи от источников света генерируются так, что они направлены в эти окна, заведомо отсекая лучи, не освещающие интерьер. Другими словами, количество лучей увеличивается для направлений, которые вносят вклад в изображение, формируемое камерой. Первый из предложенных алгоритмов требует дополнительных спецификаций пользователя для маркировки окон, прозрачных дверей или других отверстий, через которые свет может по-пасть во внутренние помещения. Второй алгоритм является полностью автоматическим. Он при-надлежит к широкому классу алгоритмов нахождения и использования оптимальной PDF (Probability density function) в стохастической трассировке лучей, дает меньшее ускорение трассировки, но не требует действий от пользователя, в частности, исключая ошибку, которая может привести к недооценке освещенности помещения. Приведено математическое обоснование корректности предлагаемых алгоритмов. На примерах показано, что предложенный подход позволяет в несколько раз быстрее рассчитать изображение с желаемым качеством.

10. Оптимизация скорости VPN для удаленной работы с использованием маршрутизаторов с ARM-процессорами [№4 за 2020 год]
Авторы: Андреев С.В., Хлупина А.А.
Просмотров: 3951
Данная статья посвящена задачам оптимизации скорости VPN-соединения при использовании маршрутизаторов с процессорами ARM. В современных условиях на многих предприятиях и в учреждениях по всему миру встает актуальный вопрос обеспечения доступа сотрудников, а также удаленного филиала или подразделения к ресурсам локальной сети головного офиса. В статье рассматривается возможность подключения сотрудников по зашифрованному VPN-каналу с использованием современных бытовых маршрутизаторов с ARM-процессорами. При таком подходе обеспечивается автоматическое подключение всех устройств удаленного пользователя к ресурсам локальных сетей головного офиса, предприятия и нет необходимости для IT-специалистов предприятия настраивать каждое устройство пользователя в отдельности. В работе рассматривается решение ключевой проблемы такого подхода, а именно обеспечение максимальной скорости зашифрованного VPN-подключения и, следовательно, ускорение программных компонентов маршрутизаторов, включенных в его ПО для скоростного зашифрованно-го VPN-соединения. Рассматривается оптимизация скорости алгоритмов шифрования и дешифровки с использованием особенностей целевого процессора устройства, таких как распараллеливание выполнения инструкций процессора с помощью SIMD, общее улучшение производительности маршрутизатора при использовании оптимальных опций компилятора, нетрадиционное использование PCI-устройств аппаратного шифрования, использование альтернативных вариантов современных VPN-сетей для маршрутизаторов с относительно маломощным по тактовой частоте центральным ARM-процессором, но содержащим более двух ядер, обеспечивая при этом многопоточность VPN-канала.

| 1 | 2 | 3 | Следующая → ►