1. Программный эмулятор квантовых алгоритмов для эффективного моделирования на персональном компьютере [№1 за 2024 год]
Authors: Ulyanov, S.V., Ulyanov, V.S.
Платформой квантовой программной инженерии являются методы квантовых вычислений, теория квантовых алгоритмов и квантовое программирование. Развитие этих направлений зависит от технологической структуры разработки нанотехнологий для аппаратного оформления различных конфигураций. Промышленный квантовый компьютер для реальной программной инженерии ожидается примерно через 10–30 лет, и это связано с преодолением ряда технологических трудностей при реализации аппаратных средств, а также с фундаментальной трудностью устранения физического явления декогеренции и коррекции ошибок в квантовых компьютерах ближайшего будущего. Открытым ключевым вопросом в квантовых вычислениях является поиск квантовых алгоритмов, потенциально обладающих значительным преимуществом и превосходством над классическими алгоритмами для задач, представляющих практический интерес. Поэтому на современном этапе разрабатывается подход к созданию структур квантовых алгоритмов для квантовых симуляторов с возможностью эффективной реализации на компьютерах с классической архитектурой. В данной статье предложен эффективный метод моделирования с информационным анализом структур квантовых алгоритмов поиска и принятия решений с целью устранения избыточности для практической реализации симулятора на компьютере с классической структурой. В качестве при-мера продемонстрирован метод моделирования алгоритма квантового поиска Гровера с остановкой поиска хорошего решения на основе принципа минимума информационной энтропии Шеннона. Приведены примеры моделирования принятия решений, демонстрирующие эффективность разработанного подхода в квантовой программной инженерии и интеллектуальной управляющей робототехнике.

2. Анализ времени выполнения теста неравенства Белла для поиска информации [№1 за 2024 год]
Альдарф Алаа, Шакер Алаа, Бессмертный И.А.
Тест неравенства Белла повышает эффективность поиска информации и работы поисковых систем. Он упорядочивает полученные результаты на основе связей между словами, приоритезируя соответствующие ответы. Однако временные характеристики этого метода остаются неизученными, поскольку он работает медленнее метода TF-IDF. Методология исследования включает проведение экспериментов для анализа времени выполнения теста Белла и изучение различных аспектов самого теста и его компонентов. Эксперименты показывают, что вычисление матрицы HAL занимает значительную часть общего времени теста Белла, превышая 80 %. В работе также рассматривается использование библиотеки CuPy на графических процессорах для ускорения вычислений матрицы HAL, в результате выявлены лишь ограниченные преимущества ускорения на GPU из-за накладных расходов на передачу данных. В статье также представлен метод «сохранить и восстановить», который предполагает предварительное вычисление и сохранение матрицы HAL в БД с целью сокращения времени выполнения будущих запросов. Эффективность этого метода продемонстрирована на текстах с множеством повторяющихся слов, что приводит к более быстрому выполнению запросов по сравнению с повторным вычислением матрицы HAL для каждого запроса. Исследование имеет практическое значение для разработки эффективных систем поиска информации в реальном времени. Определяя основные компоненты, требующие много времени для выполнения теста Белла, особенно вычисление матрицы HAL, исследование выявляет потенциальные области для оптимизации и улучшения скорости и производительности поиска. Кроме того, внедренный метод «сохранить и восстановить» предлагает полезную стратегию для оптимизации систем поиска информации с текстами, содержащими повторяющийся контент.

3. Структура сетевой многоуровневой компьютерной модели в формате метода компонентных цепей для реализации сетевых виртуальных лабораторий [№1 за 2024 год]
Болденков А.С., Ганджа Т.В., Дмитриев В.М.
В статье представлены проектирование архитектуры и принцип работы распределенной компьютер-ной лаборатории для дистанционного моделирования физических процессов, а также применение инструмента для дистанционного обучения с использованием веб-технологий. Компьютерная модель формируется в формате метода компонентных цепей, обеспечивая гибкость в процессе моделирования. Ее структура, основанная на методе многоуровневого компьютерного моделирования, включает в себя визуальный уровень, на котором расположены средства визуализации и используется интерактивное взаимодействие, логический уровень, где находится непосредственно сам алгоритм проведения эксперимента, и объектный уровень, содержащий модель исследуемого объекта в формате компонентной цепи с подключенными моделями исполнительных и измерительных устройств. Архитектура предполагает наличие клиент-серверного соединения для обмена данными по сети Интернет. Предлагается разработать кроссплатформенное приложение, представляющее собой веб-конфигуратор, включающий библиотеку визуальных компонентов (цифровой индикатор, стрелочник, бегунок и т.д.). Для реализации сетевого взаимодействия между сервером и клиентскими приложениями используются специальные сетевые компоненты Приемник и Передатчик. Для соединения клиентских и серверной частей сетевой компьютерной модели использованы компоненты, разработанные в рамках развития отечественной среды моделирования МАРС. Практическая значимость предлагаемого решения заключается в организации многопользовательских сетевых виртуальных лабораторий и в уникальном объединении дистанционного обучения и компьютерного моделирования, что значительно упрощает процесс обучения и повышает его эффективность. Представленная структура подходит и для реализации сетевых многопользовательских тренажеров при подготовке специалистов различных технических направлений, и для проведения дистанционных экспериментов с использованием одного физического тестового стенда.

4. Автоматическое конфигурирование маршрутизаторов для управления настройками сетевой инфраструктуры [№1 за 2024 год]
Фаткиева Р.Р., Судаков А.С.
Современная сетевая инфраструктура включает в себя различные уровни и типы устройств, а также разнообразные протоколы и службы взаимодействия между ними. Это создает сложность в управлении и первоначальном конфигурировании устройств. При массовой настройке однотипных устройств увеличивается вероятность возникновения ошибки. Автоматическое конфигурирование большого количества сетевых устройств позволяет облегчить задачу администрирования, снизить вероятность ошибок и сократить время при развертывании большого количества узлов сети. В данной работе рассмотрены существующие подходы к конфигурированию сетевых устройств. Представлен разработанный метод автоматизации процесса конфигурирования маршрутизаторов с использованием теории конечных автоматов. Показано, что в контексте автоматической конфигурации маршрутизаторов конечные автоматы можно использовать для представления различных состояний и действий, которые могут возникнуть в процессе конфигурирования. Это позволяет разработать систему автоматизации процесса первоначальной настройки сетевой инфраструктуры. На базе представленного метода сформированы алгоритмы для автоматического обнаружения маршрутизаторов и их настройки, а также метод сбора информационных сообщений, появляющихся в процессе настройки устройства. Разработан программный комплекс в виде веб-приложения, позволяющий уменьшить время развертывания сетевой инфраструктуры. На практическом примере показана возможность поиска устройств в сети, анализа производителя оборудования по MAC-адресу, удаленного подключения к нему и автоматического конфигурирования маршрутизаторов компании MikroTik. Разработанный программный комплекс может быть использован для быстрой и удобной настройки маршрутизаторов в средних и больших организациях.

5. Синхронный режим распределенных вычислений при непрерывном выполнении блоков ограниченного числа копий программного ресурса [№1 за 2024 год]
Павлов П.А., Коваленко Н.С.
При создании многопроцессорных распределенных вычислительных систем особую актуальность приобретают задачи построения и исследования математических моделей организации взаимодействия процессов, конкурирующих за программный ресурс. В связи с этим интерес представляют задачи распределенных вычислений, связанные с получением математических соотношений, которые могут иметь как прямой, так и обратный характер. При постановке прямых задач условиями являются значения параметров многопроцессорной системы, а решением – минимальное общее время реализации заданных объемов вычислений. Постановка обратных задач сводится к расчету характеристик многопроцессорных систем, поиску критериев эффективности и оптимальности организации выполнения множества распределенных конкурирующих взаимодействующих процессов. При построении и исследовании математических моделей и задач оптимальной организации распределенных процессов широко применяется аппарат теории графов, линейных диаграмм Ганта, теории расписаний, комбинаторной оптимизации, алгебры матриц и др. В работе построена математическая модель распределенных вычислений, решены задачи нахождения минимального времени выполнения неоднородных процессов, конкурирующих за использование ограниченного числа копий программного ресурса в синхронном режиме в случаях неограниченного и ограниченного параллелизма по числу процессоров многопроцессорной системы. При этом использованы идеи структурирования программного ресурса на линейно-упорядоченные блоки с их последующей конвейеризацией по процессам и процессорам многопроцессорной системы.

6. Моделирование информационных процессов систем управления большими данными для решения задач кибербезопасности [№1 за 2024 год]
Полтавцева М.А., Зегжда Д.П.
Несовершенство классических моделей безопасности при их приложении к реальным системам обусловило развитие обратного подхода: моделирование систем различного класса для последующего дополнения их атрибутами безопасности. Решение задач обеспечения защищенности распределенных систем на основе таких моделей является сегодня динамически развивающейся областью научного знания. Данная статья посвящена моделированию гетерогенных систем управления большими данными для решения задач кибербезопасности. Авторы выделяют и учитывают такие ключевые особенности рассматриваемого класса систем, как использование гетеро-генных структур данных и ограничение инструментов манипулирования данными прежде всего в отношении грануляции функций безопасности при их реализации. Предложена новая графовая модель системы управления большими данными с использованием обобщенных операций над ними: объединение, разделение и преобразование. Вершины графа представляют собой структурированные фрагменты данных, а дуги – операции по их обработке вне зависимости от конкретного инструмента и типа преобразования. В отличие от аналогичных решений модель за счет обобщенных операций позволяет учесть преобразования данных внутри инструментов обработки, а также при передаче информации между ними, обеспечивая комплексное представление процесса обработки информации на уровне инженерии данных. Особенностью модели является и высокая степень возможности автоматизации ее построения на базе конкретной системы больших данных, что способствует поддержанию адекватности при эволюционных изменениях объекта моделирования. Представленная модель способствует решению широкого круга задач в области безопасности крупномасштабных гетерогенных систем управления большими данными, таких как контроль доступа, аудит, оценка защищенности. В качестве примера в работе показано использование предложенной модели для автоматизации анализа политик безопасности в данном классе систем.

7. Программная реализация алгоритмов диагностирования электрооборудования (на примере анализа характера гармонических колебаний) [№1 за 2024 год]
Колоденкова А.Е., Верещагина С.С.
В статье предлагаются алгоритмы выбора параметров электрооборудования и поиска отклонений значений гармонических колебаний, а также мероприятия по предотвращению неисправностей оборудования для комплексного диагностирования в условиях множества разнородной информации. Алгоритм выбора параметров электрооборудования основан на классификации параметров по характеру и степени их влияния на оборудование с использованием БЗ, содержащей продукционные правила о типах и влиянии параметра на оборудование (основ-ной, дополнительный, вспомогательный), а также БД (данные о выходе из строя оборудования, данные с приборов и датчиков). Предлагаемый алгоритм позволяет классифицировать и выбирать наиболее важные диагностические параметры, влияющие на состояние электрооборудования, тем самым отклоняя незначимые параметры без потери информации. Алгоритм поиска отклонений значений гармонических колебаний позволяет определить не только время возникновения отклонения параметра, но и суммарное время отклонения с целью выявления причин возникновения гармонических колебаний. Рассматриваются структура программной системы диагностики электрооборудования с описанием взаимосвязанных модулей, где связующими звеньями являются БД и БЗ, а также экранные формы интерфейса системы. Разработанная программная система позволяет по выбранному типу параметра электрооборудования подбирать методы его диагностирования, мероприятия по предотвращению неисправностей оборудования, обнаруживать неисправность, нестабильность работы оборудования, приводящие к увеличению, например, гармоник напряжения, а также низкое качество электроэнергии. Внедрение на производстве предложенного подхода к диагностированию электрооборудования позволит принять научно обоснованное решение относительно выбора параметров для дальнейшего диагностирования с учетом множества разнотипной информации, провести более глубокое диагностирование и тем самым выявить неисправности в оборудовании.

8. Интеллектуальная система анализа транспортных потоков в автоматизированных системах управления дорожным движением [№1 за 2024 год]
Хусаинов Р.М., Талипов Н.Г., Катасёв А.С., Шалаева Д.В.
В статье представлены результаты разработки интеллектуальной системы анализа транспортных потоков. Для ее создания использованы математические расчеты траектории движения, скорости, определение инцидентов и сбор статистики, объектно-ориентированное программирование. Исходными данными являются изображения, взятые из записей камер видеонаблюдения, загруженных в сеть Интернет. Для соответствия нейронной сети YOLOv3 кадры видеопотока имеют разрешение 1 280720 и масштаб 16:9. Разработанная функциональная модель отображает структуру и функции интеллектуальной системы, а также потоки информации и материальных объектов, связывающих эти функции. Рассмотрены примеры работы системы анализа транспортного потока и выполнения поставленных задач, а также возможности ее дальнейшего применения. Проверка работы интеллектуальной системы и результаты ее использования для анализа транспортных потоков, прогнозирования и выявления инцидентов показали эффективность разработанного ПО и пригодность системы к решению поставленных задач. В ходе работы системы распознаны следующие объекты: автомобиль, грузовик, мотоцикл, велосипед, пешеход, а также такие инциденты, как ДТП, остановка, скопление машин, пробка. Достоверность (верное распознавание объектов транспортного потока) результатов исследования как собственных (подготовленных) видеоданных, так и загруженных из сети Интернет в интеллектуальной системе управления дорожным движением составила 85–90 %. Полученные результаты использованы для эффективного управления транспортными потоками, повышения пропускной способности улично-дорожной сети, предотвращения автомобильных заторов, уменьшения задержек в движении транспорта, повышения безопасности дорожного движения, оптимизации перевозочного процесса, ин-формирования участников дорожного движения о дорожно-транспортной ситуации и вариантах оптимального маршрута движения, обеспечения бесперебойного движения наземного городского пассажирского транспорта.

9. Информационная поддержка принятия решений при мониторинге состояния криогенного оборудования [№1 за 2024 год]
Солдатов Е.С.
В статье рассмотрены вопросы информационной поддержки принятия решений при мониторинге состояния криогенного оборудования в интересах повышения безопасности и снижения потерь криогенного продукта в процессе его эксплуатации. Современные системы поддержки принятия технических и организационных решений в процессе мониторинга состояния криогенного емкостного оборудования не лишены недостатков. Так, не решена проблема получения в режиме реального времени информации о прогнозируемом времени хранения криогенного продукта с учетом технического состояния сосудов, изменяющихся условий окружающей среды и режимов эксплуатации. Данное исследование выполнено с применением методов структурного системного анализа, программной инженерии, вычислительной гидродинамики и теории надежности. Основным результатом является архитектура системы поддержки принятия решений в процессе мониторинга состояния криогенного оборудования, подключенного к единой беспроводной сети передачи данных. Функционал системы заключается в обеспечении удаленного мониторинга состояния криогенного емкостного оборудования, в том числе с возможностью на основе результатов компьютерного моделирования и статистических данных прогнозировать время бездренажного хранения криогенного продукта. Диспетчерский центр мониторинга организован в соответствии с концепцией цифрового двойника. Такой двойник использует компьютерные модели криогенного оборудования при организации его двустороннего информационного взаимодействия с объектом мониторинга. С применением разработанной системы поддержки принятия решений обеспечиваются своевременное оповещение ответственных лиц о потенциально опасных и аварийных ситуациях, накопление статистической информации о процессе бездренажного хранения криогенного продукта. В работе представлена принципиальная схема автономного устройства телеметрии транспортного криогенного оборудования на базе модуля телеметрии дальнего радиуса действия и маломощных автономных модулей телеметрии стационарного и транспортного криогенного оборудования, используемых в современных сенсорных сетях. Практическая значимость полученных результатов заключается в обеспечении возможности своевременного принятия превентивных мер по предотвращению потерь криогенного продукта в процессе хранения с недопустимостью возникновения взрывопожароопасных ситуаций.

10. Система распознавания, отслеживания и описания поведения муравьев на видеозаписи, сделанной в полевых условиях [№1 за 2024 год]
Московская Е.Д., Бургов Е.В., Московский А.Д., Гревцова Н.А.
Статья посвящена разработке системы распознавания, отслеживания и оценки количественных характеристик поведения муравьев на видеопоследовательностях. Подобное ПО необходимо для биологических исследований, а конкретно – для изучения муравьев (мирмекология). Текущая версия системы ориентирована на расчет динамической плотности особей на территории – количества рабочих муравьев в заданной области за минуту. Рассматриваются видеозаписи, сделанные в полевых условиях на искусственной размеченной поверхности, для определения динамической плотности особей на территории. Для распознавания отдельных особей использован нейросетевой детектор, определяющий положение и ключевые точки муравья, соответствующие его голове и брюшку. По ключевым точкам рассчитывается ориентация объекта в пространстве. Точность определения границ изображений муравьев составила 92 %, а ошибка определения ориентации – 0.4 радиана. За счет определения ориентации объекта для решения задачи отслеживания используется расширенный фильтр Калмана, который учитывает ее в прогнозировании движения. Для решения задачи соотношения данных был применен критерий минимального времени перемещения муравья. Траектории движения муравьев, полученные в процессе работы системы, используются для расчета динамической плотности в произвольной области. Для отсеивания ложноположительных срабатываний детектора в системе отслеживания применяются разработанные эвристики. Благодаря используемым алгоритмам удалось добиться автоматического подсчета динамической плотности с точностью, не уступающей обработке видеозаписи человеком. Полученные результаты позволят значительно облегчить работу мирмекологов с видеозаписями, заменив человеко-часы более дешевыми машино-часами. В дальнейшем система может быть дополнена блоками определения других количественных характеристик движения животных.

| 1 | 2 ►