Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 3 за 2022 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам

11. Оценка граничных значений среднего времени отклика на запрос пользователя информационной системы [№3 за 2022 год]
Авторы: Шелест М.Н., Татарникова Т.М.
Просмотров: 1264
В работе предложены методы оценки верхней и нижней границ среднего времени отклика больших информационных систем на запрос пользователя. Под запросом пользователя понимается транзакция, состоящая из последовательности команд, для выполнения которых резервируются вычислительные ресурсы. Транзакция формализуется в виде маршрута, представляющего собой цепочку пар «обслуживающее устройство–буфер», число которых равно числу команд транзакции. При этом обслуживающее устройство является средством выполнения команд транзакций, а буфер – памятью для фиксации результатов выполнения и ожидания времени для поступления на обслуживание. Выделение групп слабо связанных маршрутов позволяет выполнять параллельную обработку транзакций. Предложена математическая схема большой информационной системы с группировкой маршрутов транзакций в виде сети массового обслуживания, так что каждая заявка пользователя про-ходит определенный маршрут из обслуживающих устройств. Метод оценки верхней границы среднего времени отклика системы на запрос пользователя основан на добавлении избыточных зависимостей и дублировании некоторых обслуживающих узлов, метод оценки нижней границы – на удалении обслуживающих узлов, играющих роль слабой связи между соседними маршрутами сети массового обслуживания. Методы позволяют подобрать параметры, удовлетворяющие требованиям к разрабатываемой информационной системе и, соответственно, отвечающие показателям качества обслуживания пользователей информационных систем.

12. Применение искусственных нейронных сетей в системах автоматического управления магнитной левитацией [№3 за 2022 год]
Автор: Коробейников А.Г.
Просмотров: 2164
В данной работе рассмотрена задача нейросетевой идентификации в системе автоматического управления магнитной левитацией (нейросетевой регулятор). При проектировании систем автоматического управления сложными техническими динамическими объектами достаточно часто используют математический аппарат на базе искусственных нейронных сетей. Такие сети обладают уникальными преимуществами: возможностями проведения параллельных вычислений, нахождения ранее неизвестных взаимосвязей между входными и выходными последовательностями цифровых сигналов, обеспечения более эффективного управления нелинейными системами за счет применения нелинейных функций активации. Кроме того, применение искусственных нейронных сетей иногда снимает сложности, возникающие при описании некоторых задач в виде аналитических математических моделей. Решение поставленной задачи осуществлялось на базе методов искусственного интеллекта – хорошо известных рекуррентных искусственных нейронных сетей NARX и LSTM. Обучение этих сетей производилось при помощи алгоритма обратного распространения и метода Левенберга–Марквардта, имеющих хорошую сходимость. Для данной задачи применение обученных искусственных нейронных сетей к тестовым данным показало некоторое преимущество сети NARX по сравнению с LSTM. Причем среднеквадратичная ошибка RSME для сети NARX с 50 скрытыми слоями для данной задачи меньше, чем для сети, имеющей 100 скрытых слоев. Инструментальным средством для задания архитектуры нейронных сетей, их построения, обучения и тестирования являлась система MATLAB R2021b. Полученные результаты были применены при проектировании автоматических систем управления левитирующими объектами. В настоящее время большинство таких систем разрабатывают и применяют для осуществления перевозок товаров различного назначения, используя эффект магнитной левитации.

13. Применение технологии CUDA для обучения нейронной сети Кохонена [№3 за 2022 год]
Авторы: Латыпова Д.С., Тумаков Д.Н.
Просмотров: 3010
Проведена кластеризация данных, содержащихся в обучающих выборках – базах данных MNIST и Fashion MNIST. Для кластеризации использована нейронная сеть Кохонена с евклидовой метрикой при оценке расстояний. Для каждой рукописной цифры (MNIST) и каждого типа предметов обихода (Fashion MNIST) определено оптимальное количество кластеров (не более 50). Обучение нейронной сети распараллелено на графическом устройстве NVidia с использованием технологии CUDA. Для каждой цифры приведены результаты, иллюстрирующие сравнение времен работы процессора и графического процессора. Как для цифр, так и для типов предметов обихода сделан вывод о 17-кратном ускорении параллельных вычислений над последовательными на игровом ноутбуке начального уровня. Тестовые выборки из тех же баз данных использованы для проверки правильности построения кластеров. Как для последовательного, так и для параллельного обучения сделан вывод о том, что векторы из тестовой выборки принадлежат правильному кластеру с вероятностью более 90 % в случае рукописных цифр. Кроме того, для каждой цифры и каждого типа предметов обихода вычислены F-меры для оценки попадания объектов в свои кластеры. Показано, что последовательная и параллельная кластеризации дают близкие результаты. Наилучшие значения F-меры получены для цифр 0 и 1 (F-среднее значение равно 0,974), в то время как худшее значение (0,903) получено для цифры 9. Для данных Fashion MNIST лучшее значение F-меры (0,96) получено для типа «Брюки», а худшее (0,34) – для типа «Рубашка». Несмотря на большие разбросы для значений F-метрик двух рассмотренных баз данных, отличия результатов кластеризации минимальны. Так, для MNIST максимальное отличие F-меры составляет поряд-ка 0,01, а для Fashion MNIST – около 0,04.

14. Прогнозирование на основе искусственной нейронной сети второго поколения для поддержки принятия решений в особо значимых ситуациях [№3 за 2022 год]
Авторы: Пальчевский Е.В., Антонов В.В., Еникеев Р.Р.
Просмотров: 2577
Специализированные модели систем, реализованные на основе поддержки принятия решений с помощью искусственного интеллекта для воспроизведения, прогнозирования и предотвращения последствий исключительных ситуаций, становятся все более популярными. Под такие ситуации и состояния подпадают и паводки. Исходя из этого появляется задача прогнозирования исключительной ситуации на примере подъема уровней воды на стационарных гидрологических постах. Для решения данной проблемы предложена система поддержки принятия решений для прогнозирования уровней подъема воды, основанная на нейросетевом анализе ретроспективных дан-ных с целью расчета значений уровней воды на пять дней вперед. За основу самой искусственной нейронной сети берется свободно распространяемая библиотека программ машинного обучения TensorFlow. В качестве обучения применен измененный метод обратного распространения ошибки. Основным отличием метода является добавление коэффициента повышения скорости обучения искусственной нейронной сети. Был проведен анализ эффективности предлагаемого решения в рамках прогнозирования паводковой ситуации. Он показал высокую точность при расчетах прогнозных значений уровней воды: разница между реальными и спрогнозированными значениями составила 2,10 %. Это позволит специализированным службам заблаговременно осуществлять противопаводковые мероприятия. Таким образом, информационное сопровождение во время особых ситуаций – это абсолютный показатель качества данных, позволяющий вырабатывать и принимать решения в рамках прогнозирования возможных критических ситуаций и недопущения перевода состояния системы управления территорией в критическое.

15. Прогнозирование технологических тенденций на основе анализа разнородных данных [№3 за 2022 год]
Авторы: Нгуен Тхань Вьет, Кравец А.Г.
Просмотров: 1970
Для достижения конкурентоспособности предприятиям необходимо разработать стратегию развития путем прогноза новых и перспективных технологий при использовании ограниченных ресурсов. Многочисленные предыдущие исследования показали, что неожиданные изменения в направлениях НИОКР и патентования результатов интеллектуальной деятельности связаны с большими изменениями рыночной стоимости фирмы. Существует сильная корреляция между изменчивостью рыночных долей, цен на акции на ранних стадиях развития высокотехнологичного предприятия и тем периодом, когда инновационная технология еще не определена. По этой причине можно предположить: если цены акций предприятия сохранят восходящий тренд, то разработанные технологии, скорее всего, станут многообещающими инновациями в будущем. В статье предложен метод прогнозирования технологических трендов путем анализа веб-новостей для выявления высокотехнологичных предприятий, прогнозирования тенденций изменения стоимости акций для выбранных предприятий и анализа кластеризации патентных заявок. В отличие от других исследований предлагаемый метод продвигает идею прогнозирования техно-логических трендов путем прогнозирования (восходящей/нисходящей) тенденции стоимости акций с использованием одномерных и многомерных подходов к подготовке данных и с помощью байесовской оптимизации для нахождения лучших гиперпараметров моделей машинного и глубокого обучения. Исследование выполнено с помощью разработанной программной системы для анализа обнаружения взрыва частоты слов и прогнозирования цен акций. В частности, предлагаемый метод рассмотрен для прогнозирования динамики цен акций компаний Tesla и Samsung в качестве примера.

16. Программный комплекс моделирования реактора гидрохлорирования кремния [№3 за 2022 год]
Авторы: Глушков И.В., Чистякова Т.Б., Аверина Ю.М.
Просмотров: 1986
Современное развитие промышленных предприятий невозможно без внедрения в процесс их функционирования информационных технологий, позволяющих повысить конкурентоспособность. В условиях рыночной экономики управление технологическими процессами сопряжено с целым спектром различных рисков. Риски могут быть смоделированы с помощью программных комплексов. Предметом данного исследования является технология разработки программного комплекса реактора гидрохлорирования молотого кремния, работающего в динамическом режиме. Впервые на программном уровне предложены и показаны основные особенности работы реактора синтеза трихлорсилана. Описаны материальный и тепловой балансы реактора, показана и визуализирована гидродинамика взвешенного слоя. Проведены гидродинамические и тепловые расчеты реактора синтеза, интерпретированные в математический граф. Показан математический аппарат для описания режимных параметров реактора, и впервые разработана компьютерная математическая модель процесса синтеза трихлорсилана действующего производства. Визуализированы технологические процессы объекта исследования. Предложена система контроля, регулирования и управления режимными параметрами реактора для обеспечения безопасности производства. Приборы контроля и управления подключены к математической модели. С помощью полученной программной модели можно проводить различные эксперименты в режиме реального времени, запускать, останавливать и работать на реакторе синтеза, учитывая при этом кинетические особенности, которые возникают при розжиге аппарата. Авторами исследования установлена важность поддержания режимных параметров работы таких реакторов во избежание появления локальных зон перегрева, которые могут повлиять на возникновение аварийных ситуаций. Работа представляет интерес для специалистов, обслуживающих производства получения трилорсилана, и направлена на снижение технологических рисков, возникающих в процессе эксплуатации реактора.

17. Разработка генератора паролей с использованием GUI MATLAB [№3 за 2022 год]
Авторы: Щукарев И.А., Маркова Е.В.
Просмотров: 2128
Пароли, защищающие аккаунты различных сайтов, порталов и облачных хранилищ, в большинстве случаев ненадежны. К тому же пароли, созданные самими пользователями, имеют недостаточную длину. Поэтому для обеспечения безопасности учетных записей прежде всего необходимо создавать достаточно сложные и длинные пароли. Авторами данной статьи разработано графическое приложение для ЭВМ, которое позволяет автоматически генерировать пароли с пользовательскими настройками и выводить результат в со-ответствующее поле. Созданные пароли практически невозможно угадать, поскольку они являются комбинацией случайных букв английского алфавита верхнего и нижнего регистров, цифр и специальных служебных символов. Существует возможность менять длину пароля, выводить результат в окно программы и сохранять в отдельный текстовый файл с названием parol.txt. Данное приложение и весь графический интерфейс пользователя написаны не на специализи-рованном языке программирования, например Python или C++, что характерно для программ такого типа, а в среде технических расчетов MATLAB с помощью GUI MATLAB и MATLAB Compiler SDK. За счет использования только лишь возможностей MATLAB Compiler SDK удалось создать автономное приложение exe, а не m-файл, который является внутренним форматом программы MATLAB и работает только при наличии полностью установленной среды MATLAB. Для удобства конечного пользователя программа оформлена в виде автономного графического приложения, способного работать на любом компьютере с установленным MATLAB Runtime, позволяющим запускать скомпилированные приложения в системах без установленной версии MATLAB. Данное приложение может быть использовано организациями, в которых существует отдел сетевой безопасности, поскольку оно облегчит создание множества новых случайных паролей для большого числа компьютеров и аккаунтов сотрудников.

18. Разработка информационной системы в области композитных материалов с применением современных средств [№3 за 2022 год]
Авторы: Кириллов Н.Д., Кольцова Э.М.
Просмотров: 1532
В статье рассмотрен подход к созданию информационной системы в области композитных материалов с применением современного фреймворка разработки Laravel на языке программирования PHP. Данное исследование включает в себя анализ предметной области и разработку модели хранения данных на его основе, а также разработку основных программных модулей системы и реализацию логики взаимодействия между ними. Оригинальность исследования заключается в реализации информационной системы в виде веб-ориентированного сервиса для быстрого и простого доступа к информации на основе фреймворка Laravel. Авторы выделяют основные сущности, которые описывают область композитных материалов, и составляют их список. Затем описывают, каким образом по этим сущностям составлена и разработана реляционная модель хранения данных. При создании модели использовались, помимо прочего, методы для наиболее оптимального хранения иерархических структур данных. На основе этой модели хранения данных авторы разработали модули и блоки модулей информационной системы и соединили их в единый конечный сервис. Сервис является веб-ориентированным и очень удобен для предоставления доступа пользователям и исследователям в области композитных материалов ко всей нужной информации. В работе отмечены и описаны инструменты и моду-ли фреймворка Laravel, использованные при разработке всей системы. Результаты исследования демонстрируют примеры работы информационной системы – приведены страницы авторизации веб-ориентированного сервиса и некоторые страницы основных сущностей системы как представление визуализации сервиса.

19. Разработка информационной системы расчета, накопления информации и паспортизации теплофизических свойств фосфоритов [№3 за 2022 год]
Авторы: Орехов В.А., Бобков В.И., Панченко С.В.
Просмотров: 1958
В работе предлагается создавать паспорта свойств фосфоритов, позволяющие сохранять в электронном виде экспериментальные температурные зависимости коэффициента теплопроводности материала при первом его нагреве и в отожженном состоянии, удельной истинной теплоемкости при первом и втором нагревах, эффективной теплоемкости при первом нагреве, относительно-го линейного расширения, электрической проводимости и плотности фосфатного материала при нагреве. Для реализации такого паспорта свойств разработана информационная система, позволяющая осуществлять ввод и хранение данных о химическом составе и теплофизических и технологических свойствах образцов в цифровом виде, их поиск и обработку. Для доступа к данным и их об-работки система использует технологию клиент–сервер. Расчет теплофизических свойств фосфоритов по структурным моделям учитывает иерархические свойства компонентов, составляющих фосфорит, их объемные и массовые доли. Данными для определения долей компонент служит минералогический состав материала. Информационная система содержит программу расчета коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости. Она отличается учетом массовых и объемных долей основных породообразующих минералов. Система использует интерполяцию табличных температурных значений коэффициентов теплопроводности и удельных теплоемкостей фосфорита, карбоната и кремнезема для определения теплофизических свойств компонент при любой температуре. Коэффициент теплопроводности материала рассчитывается на базе комбинированной модели теплопроводности, учитывающей эндотермическую реакцию диссоциации карбонатов, а удельная теплоемкость – по аддитивной модели. Разработан алгоритм для программы расчета теплофизических свойств по химическому составу фосфоритов.

20. Разработка программного обеспечения для математического моделирования распределения температуры в процессе электронно-лучевой сварки [№3 за 2022 год]
Авторы: Курашкин С.О., Рогова Д.В., Тынченко В.С., Шуткина Е.В.
Просмотров: 2043
Целью исследования является создание программной системы моделирования распределения температуры в процессе электронно-лучевой сварки в приложении Embarcadero RAD Studio (студенческая версия) на языке программирования C++. Разработка базируется на теории теплового поля с применением математических моделей для вычисления распределения температуры на поверхности изделия. На сегодняшний день представляется возможным проводить моделирование в средах численного моделирования Comsol и ANSYS, а также в пакете MATLAB. Данные программы представляют собой мощные решения, однако имеют ряд существенных недостатков: необходимость со-здания эскиза изделия в CAD-системах и программирование расчетных моделей в пакетах Comsol и ANSYS, а также работа с исходным кодом в процессе моделирования и длительные вычисления в пакете MATLAB. Предлагается разработка программной системы на основе математических моделей, которая позволит проводить моделирование процесса электронно-лучевой сварки для изделий из разных сплавов с учетом их геометрических размеров и теплофизических параметров, что даст возможность определять оптимальные технологические параметры и, следовательно, устранять корневые дефекты, а также упрощать процесс моделирования электронно-лучевой сварки по сравнению с такими системами, как MATLAB, ANSYS и Comsol. В работе описываются программная система моделирования распределения температуры, алгоритмы моделирования эксперимента и расчета температуры. Кроме того, представлен процесс моделирования с применением данных на основе натурных экспериментов (технологических и теплофизических параметров и геометрических размеров изделия). Разработанная программная система также позволяет хранить результаты как моделирования, так и отработанного технологического процесса. Внедрение на производстве предложенного подхода к моделированию процесса электронно-лучевой сварки для тонкостенных конструкций позволит снизить материальные и трудовые затраты при отработке технологического процесса электронно-лучевой сварки, а также при вводе в производство новых видов продукции.

◄ ← Предыдущая | 1 | 2 | 3 | Следующая → ►