Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 2 за 2023 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам

11. Особенности работы с русскоязычными онтологиями с помощью библиотеки Owlready2 на языке Python [№2 за 2023 год]
Автор: Щукарев И.А.
Просмотров: 1741
При работе в библиотеке Owlready2 языка Python с онтологиями, в которых изначально классы, индивидуумы и отношения написаны кириллицей, машина логического вывода reasoner выдает некорректные данные. Вследствие сбоя в кодировке Owlready2 дублирует онтологию, а вместо текста кириллицы появляются нечитаемые символы. Решить данную проблему предлагается путем явного задания кодировки выходных данных в файле reasoning.py, а именно cp1251, то есть стандартной 8-битной кодировки для русских версий Microsoft Windows. Сам файл находится в корневой папке программы – \Python\Python311\Lib\site-packages\owlready2\ для версии Python 3.11.0. Он и рассматривается в данной статье. Для поиска решения использован метод сравнительного анализа различных версий библиотеки Owlready2 и ее предшественника – библиотеки Owlready. Решение найдено путем сравнения команд работы с исходными данными в различных версиях библиотек Owlready. После внесения соответствующего изменения упрощается работа с онтологиями в Python, особенно при многократных запусках машины логического вывода reasoner. Становится возможным использование огромного функционала библиотеки Owlready2 для работы с русскоязычными онтологиями, например, для создания соответствующих русскоязычных баз знаний. Предложенный в статье способ может быть полезен для ИТ-специалистов, разрабатывающих информационные системы на основе онтологий предметных областей, а также при работе с онтологиями в рамках образовательного процесса в вузе.

12. Подсистема воспроизведения иммерсивных виртуальных тренажеров с биологической обратной связью [№2 за 2023 год]
Авторы: Стрекалев В.О., Грибова В.В.
Просмотров: 1199
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.

13. 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: 1115
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.

14. Применение MATLAB при проектировании цифровых фильтров для выделения геомагнитных пульсаций типа Pc5 [№2 за 2023 год]
Автор: Коробейников А.Г.
Просмотров: 1342
В статье рассмотрена процедура проектирования методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации оптимального нерекурсивного полосового цифрового фильтра с конечно-импульсной характеристикой (КИХ-фильтра). Фильтр предназначен для решения задачи выделения геомагнитных пульсаций типа Pc5 из набора показателей измерений геомагнитного поля. Этот тип пульсаций выбран в связи с доступностью 1-секундных данных в широко разнесенной сети геомагнитных наземных обсерваторий, имеющих стандартизированную геофизическую наземную аппаратуру. Данные, обработанные соответствующим образом, можно использовать, например, при детальном анализе свойств возмущений магнитного поля Земли в диапазоне длиннопериодных пульсаций, а также характера взаимодействия волн и частиц в магнитосфере. Результаты анализа можно использовать, в частности, при расчете прогноза космической погоды, что обусловливает актуальность настоящей работы. Решение задачи выделения пульсаций Pc5 производится путем пропускания исходного набора данных через полосовой КИХ-фильтр, обладающий требуемыми характеристиками, зависящими от диапазона периода пульсаций Pc5, – 150–600 секунд. Отсюда следуют границы полосы пропускания, равные 1.7–6.7 мГц. Выбор нерекурсивного полосового КИХ-фильтра обусловлен возможностью обеспечения линейной фазочастотной характеристики, исключающей фазовые искажения на выходе КИХ-фильтра, а также устойчивостью по определению данного типа фильтров. Первое условие также гарантирует и отсутствие требований к фазочастотной характеристике КИХ-фильтра. Работоспособность полученного цифрового фильтра продемонстрирована на примере обработки реального набора данных измерений состояния геомагнитного поля, полученного с геомагнитной обсерватории Lycksele (Швеция), входящей в международную сеть INTERMAGNET. Проектирование полосового КИХ-фильтра и расчеты проводились в MATLAB R2022b.

15. Программный комплекс для идентификации личности по характеристикам цикла шага [№2 за 2023 год]
Авторы: Леонов С.В., Фомина Е.Е.
Просмотров: 1431
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.

16. Разработка механизма самосборки программ на основе сокетов [№2 за 2023 год]
Автор: Кольчугина Е.А.
Просмотров: 1155
Предметом исследования являются методы и алгоритмы спонтанной самосборки и самоорганизации программных систем. Среди моделей искусственной химии известны методы, допускающие самоформирование программ. Но эти методы очень специфичны и проблематичны в случае интеграции с обычными, широко распространенными и хорошо известными инструментами императивного программирования. Следовательно, необходимы другие виды инструментов, позволяющие динамически устанавливать отношения между программами или процессами. Разработанный автором данной статьи метод основан на использовании сокетов Internet, соединяющих программные единицы различных типов. Одни из этих единиц являются серверами, другие – клиентами, а третьи относятся к гибридному типу, сочетающему функции и клиента, и сервера. Программные единицы обычно рассматриваются как искусственные атомы, вступающие в реакцию друг с другом и образующие сложные вещества (то есть программы различной структуры). В данной работе предлагаются алгоритмы реализации таких программных единиц. Эти алгоритмы позволяют создавать коллективы независимых взаимодействующих единиц, способных формировать различные вычислительные конфигурации. Разработанные алгоритмы являются основой для реализации концепции, допускающей спонтанное формирование ПО в соответствии с заданными правилами при заданных условиях. В ходе экспериментов были получены вычислительные структуры, подобные полимерам реального мира и способные прокачивать данные через себя. Полученные результаты необходимы для организации полностью автоматизированного процесса разработки ПО, основанного на моделировании спонтанности. Процесс разработки программы потребует меньшего участия человека и потому станет более эффективным и экономически выгодным.

17. 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: 1046
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.

18. Способ синтеза интерактивных образовательных ресурсов формата PDF с применением LuaLaTeX [№2 за 2023 год]
Автор: Полищук Ю.В.
Просмотров: 844
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.

19. Сравнительный анализ методов построения математических моделей функционирования объекта с применением машинного обучения [№2 за 2023 год]
Авторы: Ковальногов В.Н., Шеркунов В.В., Хуссейн Мохамед, Клячкин В.Н.
Просмотров: 1466
Предметом данного исследования является технический объект, работа которого определяется множеством факторов, а качество функционирования характеризуется некоторым показателем. Требуется построить математическую модель, связывающую этот показатель со значениями факторов. В качестве примера исследуется влияние различных факторов на эффективность работы горелочных устройств (нагрузки, расхода воздуха, метана и биогаза, составов топлива и окислителя и других). Эффективность (качество функционирования) горелочного устройства оценивается по температуре дымовых газов. Задача решается методами машинного обучения, поскольку классические методы регрессионного анализа показали недостаточную точность. В настоящей статье исследуется эффективность метода опорных векторов, случайного леса и бустинга деревьев решений. Для численных расчетов использована локализованная версия 13.3 системы Statistica. Все три подхода машинного обучения показали существенное повышение точности модели на тестовой выборке. Наилучшие результаты в рассматриваемом примере дал метод бустинга деревьев решений. Рекомендуемая технология построения модели, обеспечивающая необходимую точность прогнозирования, сводится вначале к апробации классического регрессионного анализа (если полученная модель обеспечит необходимую точность, то она предпочтительна с точки зрения ее интерпретируемости). При недостаточной точности используются три рассмотренных метода машинного обучения, вместе с тем важен подбор параметров каждого из них, который, с одной стороны, обеспечивал бы необходимую точность, а с другой – не приводил бы к переобучению модели. Полученная модель может быть использована для оценки влияния различных факторов на эффективность работы технического объекта, а также для прогнозирования качества его функционирования, в частности, температуры дымовых газов.

20. Статистический эксперимент по проверке практической сходимости в одной задаче субмодулярного программирования [№2 за 2023 год]
Авторы: Скакодуб К.Р., Лесик А.И., Перевозчиков А.Г.
Просмотров: 1327
В статье рассматривается cтатистический эксперимент по проверке практической сходимости в одной задаче субмодулярного программирования. Предлагается постановка задачи по максимизации суммы эффективности группового назначения. Вводится понятие смешанного решения транспортной задачи о групповом назначении, когда ресурсные ограничения в среднем выполняются. Показано, что определение смешанных решений транспортной задачи о групповом назначении может быть сведено к задаче субмодулярного программирования, решаемой методом ветвей и границ с верхними оценками, основанными на субмодулярности транспортной задачи с ограничениями в виде равенств по столбцам. Полиномиальность ε-оптимальной версии метода ветвей и границ доказана лишь в отношении классической схемы решения многомерной задачи о рюкзаке. Авторы применили схему, использующую специфику задачи, поэтому для проверки гипотезы полиномиальности необходимы дальнейшие усилия, в том числе и при помощи статистических экспериментов. Основным результатом являются разработка численной реализации ε-оптимальной версии метода ветвей и границ на высокоуровневом языке программирования С++ и проведение статистического эксперимента по проверке практической сходимости самого алгоритма на основании статической транспортной задачи о групповом назначении по эффективности назначения. По результатам анализа численного эксперимента установлено, что для рассматриваемой задачи процент раскрытых в ходе работы ε-оптимального алгоритма вершин от общего числа вершин в орграфе при увеличении размерности убывает довольно быстро, что говорит о достаточной эффективности алгоритма. Гипотеза о полиномиальности не подтвердилась, так как используется не классический алгоритм решения целочисленной задачи, а специфика поставленной задачи.

◄ ← Предыдущая | 1 | 2