Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 2 за 2023 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам

11. Информационно-программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований живучести объектов добычи газа [№2 за 2023 год]
Автор: Валеев А.Ф.
Просмотров: 1008
Работа посвящена автоматизации информационных процессов научных исследований живучести объектов добычи газа в условиях обводнения скважин. Предложена структура автоматизированной системы научных исследований живучести объектов добычи газа, которая включает математический аппарат для моделирования объектов «пласт–скважина», процессов обводнения и средств обеспечения живучести – различных технологий борьбы с обводнением. Существующее на рынке прикладное ПО для выполнения гидродинамического моделирования или гидравлических расчетов не позволяет исследовать живучесть объектов добычи газа, поэтому разработано новое информационное и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований. Оно дает возможность оценивать показатели живучести объектов добычи газа в условиях обводнения и помогает специалисту принимать решения по ее повышению за счет применения технологий борьбы с обводнением на скважинах. Компоненты автоматизированной системы создавались на основе системного анализа, теории гидравлики и нефтегазовой механики, методов объектно-ориентированного программирования, статистического анализа, теорий графов, моделирования и управления, метода узлового анализа и др. В результате прогностического моделирования рассчитывается коэффициент живучести объектов добычи газа с учетом свойств результативности, ресурсоемкости при использовании средств обеспечения живучести. На основе заданного критерия ПО системы предлагает наилучшую технологию борьбы с обводнением объекта добычи газа.

12. Абсолютная устойчивость явных разностных схем для уравнения теплопроводности при регуляризации по Фурье–Тихонову [№2 за 2023 год]
Автор: Бахмутский М.Л.
Просмотров: 1408
В статье рассматривается возможность построения простой и абсолютно устойчивой явной разностной схемы для уравнения теплопроводности. Явные схемы для уравнения теплопроводности были фактически вытеснены из практики программирования абсолютно устойчивыми неявными схемами. Однако неявные схемы плохо распараллеливаются, поэтому программы для решения задач теплопроводности, диффузии, подземной гидродинамики и т.п. на громадных пространственных сетках с использованием многопроцессорных вычислительных систем требуют использования явных разностных схем. Это особенно справедливо для многопроцессорных систем терафлопной и выше производительности, объединяющих сотни процессоров. При этом явные схемы должны быть абсолютно устойчивыми или, по крайней мере, их условие устойчивости должно быть не жестче такого же для гиперболических уравнений. В работе предложены модификации явных разностных схем, аппроксимирующих параболическое уравнение и обладающих свойством абсолютной счетной устойчивости. Счетная устойчивость решения, получаемого на каждом временном шаге классической явной схемой, достигается быстрым преобразованием Фурье и последующим синтезом Фурье с регуляризацией по А.Н. Тихонову. При вычислении прямого и обратного преобразований Фурье использован алгоритм Кули–Тьюки быстрого преобразования Фурье. Приведены результаты сопоставления численных расчетов модельных задач с аналитическими решениями. Абсолютная устойчивость предлагаемых явных схем для уравнения теплопроводности позволяет широко использовать их для параллельных вычислений.

13. Способ синтеза интерактивных образовательных ресурсов формата PDF с применением LuaLaTeX [№2 за 2023 год]
Автор: Полищук Ю.В.
Просмотров: 828
Работа посвящена синтезу интерактивных образовательных ресурсов, которые могут применяться для организации самостоятельной или дистанционной работы в высших учебных заведениях. В качестве формата образовательных ресурсов предлагается PDF. Для их генерации применяется свободно распространяемая настольная издательская система LuaLaTeX. Она может использоваться и как программа, установленная на компьютере, и как удаленный веб-сервис. Для достижения цели работы применены методы процедурного программирования трех языков программирования. Скриптовый язык Lua использован для определения заданий, их перемешивания и формирования карты ответов. Язык TeX в составе системы LuaLaTeX – для оформления заданий и добавления в документ интерактивных элементов. Мультипарадигменный язык Java Script – для обеспечения возможности реализации интерактивности при работе с документами формата PDF, включая получение результатов и демонстрацию правильных ответов. Предложенный в работе способ синтеза образовательных ресурсов реализует перемешивание заданий и вариантов ответов в случайном порядке, использование для оформления любых шрифтов, установленных в системе, и всех возможностей оформления контента, предоставляемых LuaLaTeX. Практическая значимость предлагаемого решения заключается в повышении эффективности процессов самостоятельной работы обучающихся за счет использования интерактивных образовательных ресурсов, синтезированных предложенным в работе способом, который базируется на применении LuaLaTeX. Система реализует весь потенциал возможностей по оформлению контента любой сложности аналогично системе LaTeX.

14. Подсистема воспроизведения иммерсивных виртуальных тренажеров с биологической обратной связью [№2 за 2023 год]
Авторы: Стрекалев В.О., Грибова В.В.
Просмотров: 1156
В статье показаны проектирование и разработка подсистемы воспроизведения виртуальных тренажеров с биологической обратной связью в рамках построения инструментального комплекса для создания, воспроизведения и сопровождения иммерсивных виртуальных тренажеров с биологической обратной связью. Данная подсистема позволяет осуществлять запуск и функционирование разработанных тренажеров с возможностью погружения в виртуальную реальность. Кроме того, в системе предусмотрено взаимодействие с оборудованием биологической обратной связи, в рамках которого оператору доступны необходимые для работы инструменты запуска, управления и внесения изменений. Предлагаемая подсистема является частью большого программно-аппаратного комплекса. В рамках проектирования и разработки рассмотрено взаимодействие между тренажером, оборудованием и подсистемой воспроизведения с указанием используемых технических средств. Показан набор средств реализации с учетом прикладных систем и подсистем, которые в значительной степени могут определять рабочую нагрузку всей системы в целом и обеспечивать существенно новый уровень воспроизведения виртуальных тренажеров. Такой уровень потенциально способствует повышению комфорта и эффективности как для оператора, так и для пользователя. Разработанный программный комплекс можно использовать на всем промежутке функционирования тренажера в рамках его жизненного цикла. С использованием данного решения реализован виртуальный тренажер для выполнения работ на высоте, с помощью которого можно провести тестирование на акрофобию и профилактику тревожных расстройств с возможностью изменения параметров виртуальной среды в зависимости от состояния пользователя.

15. Внешняя калибровка всенаправленной системы компьютерного зрения и метод реконструкции внутренней среды помещения [№2 за 2023 год]
Автор: Холодилин И.Ю.
Просмотров: 1019
Автономная навигация мобильных роботов внутри помещения привлекает внимание исследователей компьютерного зрения уже многие годы. Для решения данной задачи предложены разнообразные подходы и алгоритмы. Для выполнения заложенных в роботах алгоритмов они должны уметь оценивать трехмерную структуру окружающей среды. Однако визуальные датчики, такие как обычные камеры, не позволяют получать достаточное количество информации из-за ограниченного угла обзора. Авторы данного исследования предлагают комплексный подход для трехмерного моделирования внутренней среды. Система компьютерного зрения, рассматриваемая в работе, состоит из всенаправленной камеры и источника структурированного света. Всенаправленная камера обеспечивает широкий спектр информации, в то время как лазерный луч легко обнаружить и извлечь для дальнейшего анализа. Для получения достоверных результатов измерений система должна быть откалибрована. С этой целью предлагается усовершенствованный метод внешней калибровки. Рассматривается реконструкция внутренней среды помещения на базе аналогичной системы компьютерного зрения, а также алгоритма, включающего в свой состав нейронную сеть семантической сегментации. Для выполнения алгоритмов методов калибровки и трехмерного моделирования требуется одно входное изображение. Предложенные методы в значительной степени ускоряют процесс обработки данных без потери точности в измерениях. Их экспериментальная оценка осуществлялась с помощью данных, генерируемых посредством разработанного авторами ранее симулятора.

16. Программный комплекс для идентификации личности по характеристикам цикла шага [№2 за 2023 год]
Авторы: Леонов С.В., Фомина Е.Е.
Просмотров: 1383
Активное использование систем видеонаблюдения обусловило повышение интереса к методам идентификации индивида по признакам походки. Существенным преимуществом данного способа является то, что проведение экспертиз может быть бесконтактным и удобным с точки зрения сбора материала. В настоящее время активно разрабатываются различные методики идентификации индивида по особенностям походки, однако из-за большого количества условий, влияющих на манеру движения, задача идентификации человека по походке до сих пор не имеет достаточно точного решения, поэтому актуальна разработка новых методов. В статье описывается метод идентификации индивида на кадрах видеосъемки по такому кинематическому показателю, как цикл шага. Сущность его заключается в оцифровке и количественном описании следующих параметров цикла шага: продолжительность периодов двойной опоры и переноса, частота шага и темп ходьбы. Их анализ в автоматическом режиме позволит сделать экспертный вывод о сходстве или различии двух индивидов на видеозаписях. Для реализации предложенного метода разработан программный комплекс для расчета характеристик цикла шага. Он включает в себя модуль ввода первичной информации, модуль для расчета основных характеристик цикла шага и модуль формирования отче-та. Основным преимуществом данной методики и программного комплекса является возможность обработки видеоинформации с различных ракурсов, а также в случае фиксации объекта на удаленном расстоянии. Программный комплекс может быть использован при разработке компьютерной системы гибридной идентификации личности, включающей модули считывания и анализа биометрической информации, модули анализа походки при различных особенностях съемки.

17. Агрегация и анализ сведений логистических компаний для построения сложного маршрута перевозки груза [№2 за 2023 год]
Авторы: Есин М.С., Корепанова А.А., Сабреков А.А.
Просмотров: 937
Работа посвящена оптимизации построения маршрутов перевозки в сфере логистики грузов. Существуют случаи, когда перевозка груза между двумя городами одной транспортной компанией оказывается дороже, чем перевозка разными компаниями с перевалкой груза в промежуточных точках. В информации о таких сложных маршрутах за-интересованы как транспортные компании, которые могут найти пути удешевления маршрутов, так и простые пользователи, ищущие варианты более дешевой доставки груза. Предмет данного исследования – автоматизация построения наиболее выгодного сложного маршрута перевозки груза, исполняемого несколькими автомобильными и железнодорожными перевозчиками и проходящего через промежуточные пункты, в которых осуществляется перевалка (передача груза). Отличительной особенностью метода исследования является то, что он основан на анализе данных с сайтов калькуляторов компаний-перевозчиков, из которых информация о стоимости перевозки извлекается в процессе запроса динамически, и на эвристических подходах к построению сложного маршрута. Были сформулированы критерии для выбора потенциальных точек перевалки и их числа. Предложенный подход к оценке стоимости маршрута протестирован на открытых данных 40 логистических компаний, 9 кон-фигурациях груза и маршрутах между 171 городом. В результате предложена и протестирована новая процедура поиска сложного маршрута перевозки груза и разработан программный модуль. Тестирование показало эффективность процедуры: с помощью предложенных эвристик в 10 % случаев возможно построить сложный маршрут между городами, стоимость которого будет существенно меньше простого. Теоретическая значимость работы заключается в создании новой процедуры для решения задачи построения сложного маршрута по перевозке груза, практическая – в реализации нового модуля, который будет внедрен в действующий логистический сервис Cargotime.ru.

18. Алгоритм и программная реализация синтеза модели объекта испытаний на основе решения уравнения непараметрической идентификации [№2 за 2023 год]
Авторы: Гусеница Я.Н., Мингачев Э.Р., Исхаков Н.У., Колоколов М.И.
Просмотров: 1057
Настоящая работа посвящена развитию теории испытаний в целом и опытно-теоретического метода в частности. Авторами разработан алгоритм синтеза модели объекта испытаний, основанный на решении уравнения непараметрической идентификации динамической системы с использованием гипердельтной аппроксимации и преобразования Лапласа. В отличие от существующих данный алгоритм применим для входных и выходных сигналов произвольной формы и физических величин. Кроме того, он не требует больших вычислительных ресурсов. Алгоритм позволяет формализовать многомерную зависимость между факторами и тактико-техническими характеристиками объекта испытаний. С помощью языков программирования C++ и Python реализованы математическая библиотека идентификации модели объекта испытаний и приложение с графическим пользовательским интерфейсом для автоматизации расчетов. Представленное программное решение выполнено по аналогии с классическими моделями машинного обучения. Для обоснования возможности применения разработанного алгоритма проведен вычислительный эксперимент на различных типах входных и выходных сигналов (периодических, непериодических и случайных) с разной точностью гипердельтной аппроксимации. По результатам вычислительного эксперимента получены рекомендации по использованию алгоритма, в частности, при высоких амплитудах выходного сигнала следует увеличить количество начальных моментов гипердельтной апроксимации.

19. Разработка программного обеспечения для системы автоматического управления по выравниванию полуфабрикатов [№2 за 2023 год]
Авторы: Тарачков М.В., Толстель О.В., Калабин А.Л.
Просмотров: 1015
Для выравнивания полуфабрикатов на скоростной конвейерной линии разработана система автоматического управления, ключевое место в которой занимают робот-манипулятор ДР-1 и рабочий орган, осуществляющий надавливание и оказывающий вибрационное воздействие. Система создана для повышения эффективности линии и снижения доли брака. В ее состав входят бортовой микроконтроллер STM32F407VG (тактовая частота 168 МГц, 192 Кб ОЗУ, 1 Мб ПЗУ) и управляющий компьютер на базе процессора Intel Atom (4 Гб ОЗУ, 32 Гб ПЗУ). Для микроконтроллера разработано ПО на языке программирования С++14 в среде CubeIDE. Операционная система реального времени FreeRTOS используется для обработки микроконтроллером нескольких задач в псевдопараллельном режиме: управление электродвигателями, обработка данных с датчиков, взаимодействие с управляющим компьютером. Для управляющего компьютера реализовано ПО на языке программирования С++11, используется операционная система Linux Ubuntu 18.04 LTS, программная платформа ROS. Управляющий компьютер предоставляет оператору системы автоматического управления интерфейс, написанный на языке программирования Python с использованием библиотеки KivyMD. Однако наиболее интересная часть ПО – решение задач прямой и обратной кинематики для дельта-манипулятора и алгоритм выравнивания полуфабрикатов. Задачи прямой и обратной кинематики являются решенными в общем виде. Приводятся особенности их реализации для робота-манипулятора ДР-1. Для формализации алгоритма выравнивания полуфабрикатов проводились эксперименты. Было необходимо выполнить около 110 выравниваний в минуту, а это требовало поиска наиболее эффективной траектории перемещения рабочего органа. В статье приводятся результаты испытаний ПО системы автоматического управления. Рассматриваются различные случаи расположения коробок с полуфабрикатами. Оцениваются сохранность полуфабрикатов и упаковки и эффективность рассматриваемого алгоритма. Применение предложенного ПО системы автоматического управления позволило повысить производительность линии и сократить долю брака.

20. Построение системы технического зрения для выравнивания содержимого упаковок дельта-манипулятором на пищевом производстве [№2 за 2023 год]
Авторы: Толстель О.В., Ширкин А.Е., Калабин А.Л.
Просмотров: 1087
Cтатья посвящена использованию компьютерного зрения для автоматизации процесса выравнивания на конвейер-ной линии упаковок с пищевым содержимым в картонных коробках. Данный процесс необходим для предотвращения появления неплотно закрытых коробок вследствие неравномерного распределения их содержимого. Объектом исследования является комбинация стереосистемы и алгоритмов искусственного интеллекта, решающих задачу детектирования и позиционирования объекта по 2D-изображению для выравнивания дельта-манипулятором. Такой манипулятор создан специально для автоматизации процесса выравнивания содержимого упаковок. Для задачи позиционирования был реализован алгоритм детектирования объектов на изображении, работающий в режиме реального времени. Обнаруженные 2D-участки изображения транслируются на стереосистему, формируя частичные карты глубин. Результатом является быстрый и точный алгоритм получения 3D-координаты объекта. Для определения текущего состояния содержимого упаковки и оптимизации количества операций выравнивания был реализован бинарный классификатор, который сообщает системе два типа статуса: объект выровнен, объект не выровнен. Для решения задачи собран специальный набор данных, состоящий из последовательности изображений частотой 30 кадров в секунду и протяженностью 1 час. В этом наборе на каждом изображении были размечены прямоугольными рамками упаковки с пищевым содержимым и отмечено их состояние – упаковка выровнена или нет. Для разметки использовалась программа с открытым исходным кодом LabelImg, предоставляющая графический интерфейс для разметки изображений, которая используется в дальнейшем обучении. Кроме того, создана программа, реализующая предложенный алгоритм на языке Python 3.6 с использованием интегрированной среды Jupyter Lab для операционной системы Ubuntu 18.04. Приведены результаты эксперимента по использованию предложенного алгоритма для оценки 2D-позиции объекта и текущего состояния детектируемого объекта. Для оценки качества алгоритма использованы метрика общей средней точности обнаружения объектов, а также метрики классификации – точность и полнота для задачи определения статуса содержимого упаковки.

◄ ← Предыдущая | 1 | 2