На правах рекламы:
ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Авторитетность издания

ВАК - К1
RSCI, ядро РИНЦ

Добавить в закладки

Следующий номер на сайте

4
Ожидается:
09 Сентября 2024

Статьи журнала №3 2024

1. Оптимизация процессов интеллектуального управления в реальном времени на физической модели робота-манипулятора с помощью генетического алгоритма [№3 за 2024 год]
Авторы: Катулин М.С. (mikhail@katulin.ru) - Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория информационных технологий им. М.Г. Мещерякова (инженер-программист); Решетников А.Г. (reshetnikovag@pochta.ru) - Международный университет природы, общества и человека «Дубна» (аспирант); Рябов А.Р. (rar@jinr.ru) - Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория информационных технологий им. М.Г. Мещерякова (старший лаборант); Ульянов С.В. (ulyanovsv46_46@mail.ru) - Государственный университет «Дубна» – Институт системного анализа и управления, Объединенный институт ядерных исследований – лаборатория информационных технологий (профессор), доктор физико-математических наук;
Аннотация: При разработке интеллектуальной системы управления возникает необходимость подбора оптимальных параметров, при которых эта система будет достигать цели управления. Для подбора параметров используют математическую модель или аналогичные методы. В данной работе рассматривается проблема настройки системы интеллектуального управления с недоопределенными параметрами. В качестве примера использована система управления четырехзвенным роботом-манипулятором в контуре обратной связи на основе системы машинного зрения. Наглядно продемонстрирована работа системы управления, для которой характерно наличие внешних факторов, влияющих на ее поведение и не всегда подлежащих учету. В рассматриваемом примере это люфты приводов, ошибки/неточности работы системы машинного зрения или внезапное изменение положения цели. В работе подробно описаны устройство робота-манипулятора, система машинного зрения и используемые регуляторы. На первом шаге настройки системы искомые параметры подобраны эмпирически, затем выполнена оптимизация с применением генетического алгоритма. Представлен способ применения генетического алгоритма для оптимизации параметров системы управления на физическом объекте в реальном времени. Рассмотрены алгоритмические особенности применяемого генетического алгоритма, в том числе реализации функции пригодности. Приведены результаты оптимизации и сделан сравнительных анализ работы системы с разными параметрами. Продемонстрирована возможность реализации подобных систем и применения генетических алгоритмов в реальном времени. Представлены методы технологии проектирования интеллектуальных систем, которые могут быть перенесены и на другие объекты управления.
Abstract: When developing an intelligent control system, it becomes necessary to select the optimal parameters for the system to achieve a management goal. A selection of system parameters involves using a mathematical model or similar methods. This paper considers the problem of configuring an intelligent control system with undefined (not taken into account in the mathematical model) parameters. As an example of such system, the paper uses a control system for a four-link robot manipulator in a feedback loop based on a machine vision system. This example clearly demonstrates the operation of a control system characterized by external factors that affect system behavior and that are not always taken into account. In the example under consideration, the external factors are drive backlashes, errors/inaccuracies during the operation of a machine vision system, or a sudden change in a target position. The work describes in detail the robot manipulator design, a machine vision system and the controllers used. The first step of configuring the system involves empirical selection of the desired parameters, then the authors perform optimization using a genetic algorithm. The paper presents a method of applying a genetic algorithm to optimize the control system parameters on a physical object in real time. The paper considers algorithmic features of the applied genetic algorithm, including the features of implementing the fitness function. There are optimization results and a comparative analysis of the system operation with different parameters. The paper demonstrates the possibility of implementing such systems and using genetic algorithms in real time. The presented methods of intelligent systems design technology can be transferred to other control objects.
Ключевые слова: глобальная отрицательная обратная связь, машинное зрение, манипулятор, генетический алгоритм
Keywords: global negative feedback, computer vision, manipulator, generic algorithm
Просмотров: 820

2. Использование метода валидации выделением особенностей для сопоставления наборов экспериментальных или смоделированных данных [№3 за 2024 год]
Авторы: Шайманов Н.Ю. (vishado1@mail.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (инженер); Авраамов В.П. (avp@2i.tusur.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (инженер); Иванов А.А. (anton.ivvv@gmail.com) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (старший научный сотрудник), кандидат технических наук; Куксенко С.П. (ksergp@tu.tusur.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (доцент, зав. лабораторией), доктор технических наук;
Аннотация: Данная работа посвящена методу валидации выделением особенностей (FSV), широко используемому зарубежными специалистами в области радиотехники и электроники при количественной оценке совпадения двух наборов данных (например, при сопоставлении результатов компьютерного моделирования и эксперимента). Для этого создано новое свободно распространяемое программное средство на основе метода FSV, представлены теоретические сведения о методе, а также примеры его использования. Так, приведено описание процедуры сопоставления данных методом FSV. Отмечены особенности разбиения данных на поддиапазоны, основы получения мер разности между наборами и интерпретации рассчитанных мер при построении оценочных гистограмм. Разработана блок-схема, наглядно описывающая алгоритм работы метода FSV и специфику его программной реализации. Используя эту блок-схему, на языке C++ разработано программное средство на основе метода FSV. Приведены сведения об инструментах разработки программного средства, его программной архитектуре, графическом интерфейсе пользователя, а также о функциональных возможностях. Даны примеры использования метода FSV в виде гистограмм глобальной меры разности, полученных при сопоставлении четырех наборов данных, описывающих сложные и нелинейные частотные зависимости: напряжения в многосвязной линии передачи, эффективности экранирования металлического корпуса, модуля коэффициента передачи проводной структуры, напряженности электрического поля снаружи резонатора со щелью. В результате показано, что разработанное программное средство и метод FSV позволяют получить достоверную количественную оценку совпадения двух наборов данных даже тогда, когда их качественное визуальное сопоставление затруднительно.
Abstract: This paper is intended to introduce domestic engineers and researchers to the feature selective validation (FSV) method, which is widely used by foreign specialists in radio-engineering and electronics for quantitative evaluation of the agreement between two datasets (for example, when comparing the results of simulation and experiment). For this purpose, the paper presents a new open source software tool based on the FSV method. It also gives theoretical information about the method and shows examples of its use, describes a FSV data comparison procedure in detail. The paper notes the peculiarities of data partitioning into subranges, the basics of calculating measures indicating the difference between sets, and the interpretation of calculated measures when constructing evaluation histograms. The developed block diagram visually describes the algorithm of the FSV method and the specifics of its software implementation. A software tool based on the FSV method was developed in C++ using this block diagram. The paper provides information about the development tools, software architecture, graphical user interface, and functionalities. The final part of the paper presents examples of applying the FSV method in the form of global difference measure histograms obtained by comparing four data sets describing complex and non-linear frequency dependencies: voltage in a multi-conductor transmission line, shielding effectiveness of a metal enclosure, modulus of the transmission coefficient for a wire structure, electric field strength outside an apertured cavity. The results showed that the developed software tool and the FSV method allow obtaining a reliable quantitative assessment of the agreement between two data sets, even when their qualitative visual comparison is difficult.
Ключевые слова: программное средство, сопоставление данных, FSV, метод валидации выделением особенностей
Keywords: software, datasets analysis, FSV, feature selective validation
Просмотров: 730

3. Применение реализованных в MATLAB методов Big Data в задаче выделения геомагнитных пульсаций типа Pc3 из данных INTERMAGNET [№3 за 2024 год]
Авторы: Коробейников А.Г. (korobeynikov_a_g@mail.ru) - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) (профессор), доктор технических наук;
Аннотация: При решении фундаментальных и прикладных задач в различных предметных областях широко применяется система MATLAB. С использованием реализованных в MATLAB методов технологии Big Data решена и рассмотренная в данной статье задача выделения геомагнитных пульсаций типа Pc3 из данных, поставляемых магнитными обсерваториями, входящими в международную сеть INTERMAGNET. Задача решается в несколько этапов. На первом этапе выполняется предобработка исходных данных. В данном случае это удаление выбросов. На втором этапе производится проектирование полосового цифрового фильтра оптимального порядка с бесконечно-импульсной характеристикой (БИХ-фильтр) методом Золотарева–Кауэра. Параметры фильтра задаются исходя от диапазона периода геомагнитных пульсаций Pc3 – 10–45 секунд. На следующем этапе осуществляется прогон предобработанного набора данных через спроектированный БИХ-фильтр с последующим устранением не-линейного искажения фазы фильтра. Выбор метода проектирования обусловлен следующими характеристиками разработанного БИХ-фильтра: наличие уравновешенного поведения пульсаций АЧХ как в полосе пропускания, так и в полосе задержки; ослабление требований к форме амплитудно-частотной характеристики в полосе задержки, позволяющее добиться быстрого перехода между полосой пропускания и полосой задержки; минимальные порядок и сложность БИХ-фильтра, спроектированного по методу цифровых фильтров Золотарева. Одним из требований при решении задачи является условие применения реализованных в MATLAB технологий Big Data. Это требование обусловлено большим объемом исходных данных: непрерывная съемка данных о состоянии гео-магнитного поля по четырем каналам в течение целого года с частотой съема, равной одной секунде. Полученные результаты можно использовать для решения как прикладных задач, например, анализ состояния космической по-годы, так и фундаментальных, например, дальнейшее развитие теории геомагнитных пульсаций. Проектирование полосового БИХ-фильтра и расчеты проводились в MATLAB R2023b.
Abstract: MATLAB system is widely used in solving fundamental and applied problems in various subject areas. This work describes using Big Data technology methods implemented in MATLAB to solve the problem of identifying Pc3 type geomagnetic pulsations from data supplied by magnetic observatories included in the international INTERMAGNET network. The solution involves passing the preprocessed data set through a designed infinite pulse bandpass digital filter (infinite impulse response filter – IIR filter) and then removing the nonlinear phase distortion of the filter. The IIR filter is designed using the Zolotarev–Kauer method. The filter parameters are based on the period range of Pc3 geomagnetic pulsations 10÷45 seconds. The choice of a design method is determined by the developed IIR filter characteristics: 1) a balanced behavior of frequency response ripples both in the passband and delay band; 2) relaxing the requirements for the frequency response shape in the delay band that allows a quick transition between the passband and the delay band; 3) the order of the IIR filter designed using the Zolotarev digital filter method and its complexity are minimal. One of the requirements when solving the indicated problem is the condition of using Big Data technologies implemented in MATLAB. This requirement arises from a large amount of initial data: continuous recording of data on the geomagnetic field state through four channels for a whole year with a sampling frequency equal to one second. The obtained results can be used to solve both applied problems, for example, analyzing the space weather state, and fundamental ones, for example, further development of the theory of geomagnetic pulsations. The IIR bandpass filter design and calculations were carried out in MATLAB R2023b.
Ключевые слова: полосовой фильтр, геомагнитные пульсации, БИХ-фильтр, Pc3, matlab, INTERMAGNET, big data
Keywords: bandpass filter, geomagnetic ripple, IR-filter, Pc3, matlab, INTERMAGNET, big data
Просмотров: 758

4. Программная реализация алгоритмов для создания прототипов баз знаний на основе визуального моделирования и трансформаций [№3 за 2024 год]
Авторы: Дородных Н.О. (tualatin32@mail.ru) - Институт динамики систем и теории управления СО РАН (младший научный сотрудник), кандидат технических наук; Юрин А.Ю. (iskander@irk.ru) - Институт динамики систем и теории управления СО РАН, г. Иркутск (доцент, зав. лабораторией), кандидат технических наук;
Аннотация: В работе описывается специализированная веб-ориентированная программная система Knowledge Modeling System (KMS), рассчитанная на экспертов и системных аналитиков. Система обеспечивает возможность построения визуальных концептуальных моделей в форме диаграмм переходов состояний, деревьев событий и отказов, а также автоматического получения кода баз знаний на основе их преобразования. Полученные таким способом базы знаний могут быть применены в качестве прототипов при дальнейшей разработке интеллектуальных систем. Созданная система основана на принципах визуального моделирования и модельных трансформаций. Последний принцип обеспечивает возможность описания соответствия между элементами различных моделей (нотаций) и их преобразования. Для формирования операторов преобразования (трансформации) концептуальных моделей описаны их модели (метамодели), включающие основные элементы и отношения. Трансформации наглядно представлены в виде набора соответствий между элементами моделей и реализованы на языке общего назначения PHP. В качестве целевых языков определены CLIPS и OWL2 DL. Приводится описание разработанной системы, включая метод создания баз знаний на основе преобразования концептуальных моделей, основные функции, архитектуру. Реализованный метод включает этапы построения концептуальной модели предметной области, представления концептуальных моделей в формате XML, анализа XML-структуры модели, формирования модели онтологии или продукций, модификации полученных знаний, генерации кода базы знаний на целевом языке. Представлены примеры использования системы KMS в контексте создания прототипов баз знаний в области техногенной безопасности в части решения задач диагностирования и прогнозирования технического состояния объектов и систем: описания динамики развития аварии при истечении нефти из резервуара и планирования алгоритма анализа отказа.
Abstract: The paper describes a special purpose web-oriented software system called Knowledge Modeling System (KMS) designed for experts and system analysts. The system enables building visual conceptual models in the form of state transition diagrams, event and failure trees, as well as automatic generation of knowledge base code based on their transformation. The obtained knowledge bases can become prototypes in further development of intelligent systems. The created system bases on the principles of visual modelling and model transformations. The latter principle enables describing the correspondence between the elements of different models (notations) and their transformation. Forming transformation operators for conceptual models involves describing their models (metamodels) that include basic elements and relations. The paper shows transformations as a set of correspondences between model elements, they are implemented in the general-purpose language PHP. CLIPS and OWL2 DL are the target languages. The paper describes the developed system, including the method of creating knowledge bases using the transformation of conceptual models, main functions and architecture. The implemented method includes the stages of building a subject area conceptual model, XML representation of conceptual models, analysis of XML-structure of the model, formation of ontology model or products, modification of the obtained knowledge, generation of knowledge base code in the target language. The authors of the paper present examples of using KMS in terms of creating knowledge bases in the field of technological safety. The examples show how to solve the problems of diagnosing and forecasting the technical state of objects and systems for describing accident dynamics when oil flows out of the reservoir, as well as planning the failure analysis algorithm.
Ключевые слова: генерация кода, визуальное моделирование, база знаний, прототип, продукция, онтология, дерево событий, диаграмма переходов состояний, трансформация, программная система
Keywords: code generation, visual modeling, knowledge base, prototype, rules, ontology, event tree, state transition diagram, transformations, software system
Просмотров: 880

5. Организация хранения данных функционирования объектов киберфизических систем [№3 за 2024 год]
Авторы: Коростелев Д.А. (nigm85@mail.ru) - Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Брянский государственный технический университет (доцент), кандидат технических наук; Подвесовский А.Г. (apodv@tu-bryansk.ru) - Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Брянский государственный технический университет (доцент, профессор), кандидат технических наук; Захарова А.А. (zaawmail@gmail.com) - Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (доцент, главный научный сотрудник), доктор технических наук;
Аннотация: В статье представлены результаты исследований в области организации и программной поддержки хранения данных функционирования объектов киберфизических систем, получаемых в ходе экспериментов. Определены основные особенности их хранения: использование специализированных форматов, хранение больших объемов данных разной степени структурированности, поддержка универсальных структурированных форматов данных, хранение сведений о структуре самих экспериментов и сценариях их проведения. Проанализированы технологии построения систем хранения и специализированные форматы данных, учитывающие эти особенности. Предложен подход к построению программной системы хранения и предобработки экспериментальной информации о функционировании объектов киберфизической системы. Архитектура и особенности реализации системы рассмотрены на примере хранения данных экспериментов с группами совместно действующих беспилотных мобильных средств при решении задач перемещения в пространстве и транспортировки грузов. Архитектура предполагает наличие серверного приложения и веб-клиента, взаимодействующего с ним с помощью API-интерфейса, построенного на основе принципов REST. В состав серверного приложения также входят подсистема предобработки результатов экспериментов и конвертер форматов источников данных. Для хранения экспериментальной информации предложено использовать двухуровневую структуру модели данных. Верхний уровень предназначен для хранения информации о структуре и параметрах экспериментов и реализован в виде БД в системе PostgreSQL. На нижнем уровне осуществляется хранение потоковой информации, получаемой от первичных источников данных. Данный уровень реализован в виде облачного хранилища, построенного на основе Яндекс Облака с использованием технологии S3. Результаты апробации разработанной системы при проведении реальных экспериментов подтвердили обоснованность выбранных архитектурных решений. Практическая значимость выполненных исследований и разработок заключается в развитии подходов к построению масштабируемых программных систем хранения данных функционирования объектов киберфизических систем, что способствует систематизации задач и сценариев управления этими объектами при разработке новых технологий и инструментов управления.
Abstract: The paper presents the results of research in the field of organization and software support when storing operation data from cyber-physical system objects obtained during experiments. The identified features of their storage are the following: special data formats, large amounts of data with different structuring degrees, supporting universal structured data formats, storing information about the structure and scenarios of experiments. The authors of the paper have analyzed technologies for building storage systems and special-purpose data formats that consider these features. They also proposed an approach to building a software system for storing and preprocessing experimental information about the functioning of cyber-physical system objects. The architecture and peculiarities of the system implementation are considered on the example of storing data of experiments with groups of jointly operating unmanned mobile vehicles when solving tasks of moving in space and transporting cargoes. The architecture assumes a server application and a web-client interacting with it by means of an API-interface based on REST principles. The server application also includes a subsystem for preprocessing experimental results and a data source format converter. The paper proposes to use a two-level structure of the data model for storing the experimental information. The upper level is intended for storing information about the structure and parameters of experiments and is implemented as a database in the PostgreSQL system. The lower level stores streaming information received from primary data sources. This level is implemented as a cloud storage built based on Yandex Cloud using S3 technology. The results of testing the developed system in real experiments confirmed the validity of the selected architectural solutions. Practical significance of the performed researches consists in developing approaches to the construction of scalable software systems for storing operating data of cyber-physical system objects. This contributes to organizing tasks and control scenarios of these objects when developing new control technologies and tools.
Ключевые слова: S3-хранилище, rest api, субд, модель данных, форматы данных, экспериментальные данные, объекты киберфизических систем, киберфизическая система
Keywords: S3 storage, rest api, DBMS, Data Model, data formats, experimental data, cyberphysical system objects, cyber physical system
Просмотров: 751

6. Применение MATLAB/GNU Octave для расчета погонных параметров многопроводных линий передачи методом моментов [№3 за 2024 год]
Авторы: Максимов А.Е. (mae@tusur.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (инженер); Снетков П.П. (spp@tu.tusur.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (техник); Иванов А.А. (anton.ivvv@gmail.com) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (старший научный сотрудник), кандидат технических наук; Куксенко С.П. (ksergp@tu.tusur.ru) - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) – Научно-исследовательская лаборатория «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» (доцент, зав. лабораторией), доктор технических наук;
Аннотация: В данной статье описан разработанный с использованием языка программирования MATLAB/GNU Octave прототип программного средства для расчета (экстракции) первичных погонных параметров (матриц коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции) многопроводных линий передачи с произвольным поперечным сечением, любым числом диэлектрических слоев и проводников на каждом слое. В созданном прототипе используется численный метод моментов. Реализованы равномерная и два способа неравномерной сегментации границ поперечных сечений линий передачи (сегментация с учащением в углах и проекционная), а также три способа ее итерационного учащения (учащение всех сегментов, только тех сегментов, длина которых превышает установленное пороговое значение, и сегментов с наибольшей плотностью заряда). Реализованы четыре метода решения получаемых матричных уравнений: LU-разложение, Bl-BiCGStab, Bl-IDR(S) и Bl-GMRES. После экстракции параметров выполняется их проверка на физичность. Разработанный прототип также способен осуществлять многовариантный анализ, то есть автоматическую итерационную экстракцию параметров линии передачи при изменении по определенному правилу входных данных (геометрических и электрофизических параметров). На основе результатов многовариантного анализа может быть выполнен расчет основных статистических характеристик, таких как математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение и доверительный интервал. Выполнена верификация прототипа, показавшая, что экстрагированные параметры согласуются с аналогичными из других программных средств. Большая гибкость конфигурирования, модульность, различные методы сегментации и решения матричного уравнения позволяют использовать как прототип в целом, так и его отдельные модули для исследовательских и академических задач. Применяя вычисленные первичные параметры линии, можно легко рассчитать ее параметры рассеяния.
Abstract: The paper describes a prototype of software for calculating (extraction) primary per-unit-length parameters (electrostatic and electromagnetic induction coefficient matrices) developed using MATLAB/GNU Octave programming language. The program extracts parameters of multiconductor transmission lines with arbitrary cross-section, any number of dielectric layers and conductors on each layer. It uses the numerical method of moments. There are implemented uniform and 2 methods of non-uniform segmentation of transmission line cross-section boundaries (corner and projection segmentation). There are also 3 methods of iterative segmentation (segmentation of all segments, only those segments whose length exceeds the set threshold value and segments with the highest charge density). Four methods of solving the matrix equations are implemented: LU-decomposition, Bl-BiCGStab, Bl-IDR(S) and Bl-GMRES. Parameter extracting is followed by their physicality check. The developed prototype is also able to perform multivariate analysis, i.e. automatic iterative extraction of transmission line parameters when the input data (geometric and electrophysical parameters) change according to a certain rule. The results of multivariate analysis can become a base for statistical analysis (calculation of basic statistical characteristics such as mathematical expectation, variance, standard deviation and confidence interval). Verification of the prototype showed that the extracted parameters agree with similar ones from other software. Great flexibility of configuration, modularity, different methods of segmentation and matrix equation solution allow using both the prototype as a whole and its separate modules for research and academic tasks. The calculated primary per-unit-length parameters of the line help to calculate its scattering parameters easily.
Ключевые слова: метод моментов, квазистатическое приближение, многопроводные линии передачи, расчет первичных погонных параметров, программное средство
Keywords: method of moments, quasi-static approximation, multiconductor transmission lines, primary per-unit-length parameter calculation, software
Просмотров: 684

7. Модификация алгоритма поиска кратчайших путей GH-графа для анализа сложных технических систем [№3 за 2024 год]
Авторы: Зяблова Е.Р. (ermuntyan@sfedu.ru) - Южный федеральный университет (доцент), кандидат технических наук;
Аннотация: В работе предложен один из подходов к моделированию сложных технических систем на примере решения задачи формирования зон влияния объектов системы охраны протяженного периметра. Подход основан на использовании так называемого GH-графа (нечеткого графа с разнотипными вершинами и множественными и разнотипными связями) и определенных алгоритмических средств. В рамках данного исследования выполнен синтез модифицированного алгоритма Форда–Беллмана поиска кратчайших путей GH-графа. Модифицированный алгоритм позволяет анализировать разнотипные информационные потоки в сложных технических системах. От других его отличает возможность поиска расстояний для полных или усеченных множеств вершин и/или связей графа, например, для связей заданного типа. Предложено списковое представление множественных и разнотипных связей GH-графа. Сформулированы критерии поиска кратчайших путей в GH-графе: критерий 1 – выбор типа (типов) вершин, участвующих в работе алгоритма, критерий 2 – выбор типов (векторов) связей. При этом имеется возможность оставить полные множества вершин и связей модели в списковом представлении графа. Определено значение вычислительной сложности модифицированного алгоритма, которое не превышает значение сложности исходного алгоритма Форда–Беллмана. Время работы предложенного алгоритма снижается за счет использования в GH-графе множественных связей в виде вектора, позволяющих объединять ряд разнотипных связей. Результатом работы модифицированного алгоритма является матрица расстояний с учетом полных или усеченных множеств вершин и/или связей для последующего вычисления метрических характеристик графовой модели средствами, определенными ранними исследованиями. Предложенные подходы к моделированию сложных технических систем для решения поставленной задачи подробно рассмотрены на примере определения зоны влияния технических устройств (квадрокоптеров) на объекты системы и выбора подходящей модели квадрокоптера. Приводится описание программной реализации модуля вычисления характеристик графа.
Abstract: The paper proposes one of the approaches to modelling complex technical systems on the example of solving the problem of forming zones of influence of the extended perimeter security system objects. The approach uses the socalled GH-graph (fuzzy graph with different types of vertices and multiple and different types of links) and certain algorithmic tools. This paper follows author’s previous works that detail the possible graph model of the system (or its part), the algorithm of GH-graph proportional partitioning, and its application to solve the problem. This study includes synthesis of a modified Ford-Bellman algorithm for finding the shortest paths of a GH-graph. The modified algorithm allows analyzing different types of information flows in complex technical systems. It is characterized by the ability to find distances for complete or truncated sets of vertices and/or graph links, e.g. for given type links. There is a list representation of multiple and different types of GH-graph links. The formulated criteria for finding shortest paths in the GH-graph are the following: criterion 1 – selecting a type (types) of vertices involved in the algorithm; criterion 2 – selecting the types (vectors) of edges involved in the algorithm. To this end, it is possible to leave the complete sets of vertices and edges of the model in the graph list representation. The determined value of the computational complexity of the modified algorithm does not exceed the complexity value of the original Ford-Bellman algorithm. The operating time of the proposed algorithm is reduced due to using multiple edges in the GH-graph as a vector, which allows combining a number of different types of edges. The result of the modified algorithm is a distance matrix considering complete or truncated sets of vertices and/or edges for subsequent calculation of graph model metric characteristics by means determined by early research. The authors consider the proposed approaches to modeling complex technical systems in detail by determining the zones of influence of technical devices (quadrotors) on system objects and selecting a suitable quadrotor model. There is a brief description of the software implementation of the graph characteristics calculation module.
Ключевые слова: программная реализация, алгоритм Форда–Беллмана, нечеткий граф, GH-граф, радиус, диаметр, разнотипные связи, множественные связи, система охраны, алгоритм поиска кратчайших путей графа
Keywords: program realization, Ford-Bellman algorithm, fuzzy graph, GH-graph, radius, diameter, different type edges, multiple edges, security system, graph shortest path search algorithm
Просмотров: 701

8. Основные принципы работы обобщенной регрессионной нейронной сети при заполнении пропущенных значений в наборах данных [№3 за 2024 год]
Авторы: Татарникова Т.М. (tm-tatarn@yandex.ru) - Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (доцент, профессор), доктор технических наук; Боженко В.В. (vibozhenko@yandex.ru) - Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (старший преподаватель);
Аннотация: В статье обсуждается актуальность заполнения пропущенных значений в исходном наборе данных на этапе их предобработки при решении задач анализа данных и машинного обучения. Предложено применение обобщенной регрессионной нейронной сети для решения задачи заполнения пропущенных значений в наборе исходных данных, что в сравнении со статистическим методом на основе среднего или медианного значения по столбцу предполагает учет возможных зависимостей между данными. Рассмотрены основные принципы работы обобщенной регрессионной нейронной сети, особенности ее архитектуры, преимущества и недостатки. Показано, что преимуществами обобщенной регрессионной нейронной сети являются быстрое обучение на небольшом объеме входных данных и прогнозирование пропущенных значений благодаря возможности аппроксимации сложных функций. Приведен алгоритм использования обобщенной регрессионной нейронной сети для восстановления пропусков. Алгоритм обучения нейронной сети является однопроходным, во время которого настраиваются веса связей между слоями сети, параметр радиальной базисной функции и скорость обучения. Целью обучения нейронной сети является минимизация ошибки прогнозирования, в качестве которой выбрана среднеквадратичная ошибка. Предложена схема заполнения пропущенных значений статистическим методом. Приведен алгоритм применения схемы заполнения пропусков, основанный на определении среднего по имеющимся значениям признака, то есть по данным, расположенным выше заполняемой ячейки столбца-признака. Прогнозирование пропущенных значений статистическим методом также оценивалось с помощью среднеквадратической ошибки. Продемонстрированы результаты обучения модели обобщенной регрессионной нейронной сети и применения статистического метода на валидационном наборе данных. Сравнение результатов заполнения пропущенных значений двумя методами показало преимущество обобщенной регрессионной нейронной сети на значительном (большом) наборе данных.
Abstract: The paper discusses the relevance of filling missing values in the initial data set at the preprocessing stage when solving problems of data analysis and machine learning. The authors of the paper propose to use a generalized regression neural network to solve the problem of filling missing values in the initial data set. In comparison with the statistical method based on the mean or median value per column, it implies taking into account possible dependencies between data. The paper considers the basic principles of the generalized regression neural network, its architecture features, advantages and disadvantages. It also shows that the advantages of the generalized regression neural network include fast training on a small amount of input data and the ability to predict missing values due to its capability to approximate complex functions. The authors also give an algorithm for using a generalized regression neural network for gap recovery. The algorithm is one-pass; it adjusts the weights of links between network layers, a radial basis function parameter, and a learning rate during one-pass training of the neural network. Training the neural network aims to minimize the prediction error, which is RMS error. There is a scheme for filling in the missing values using a statistical method. The paper presents an algorithm for applying the omission filling scheme based on determining the average feature according to the available values, that is the data located above the feature column cell to be filled in. The prediction of missing values by the statistical method was also evaluated using the mean square error. The authors demonstrate the results of training the generalized regression neural network model and applying the statistical method on a validation dataset. Comparison of the results of filling in missing values by two methods showed the advantage of the generalized regression neural network on a significant (large) dataset.
Ключевые слова: валидационные данные, проверка ошибки заполнения пропущенных данных, математическое ожидание, обобщенная регрессионная нейронная сеть, пропущенные значения, предварительная обработка данных
Keywords: validation data, missing data filling error check, mathematical expectation, generalized regression neural network, missing values, data preprocessing
Просмотров: 645

9. Функциональное моделирование двух сложных конкурирующих систем для обоснования выбора рациональной структуры исследуемой системы [№3 за 2024 год]
Авторы: Долгов Н.В. (d_n_v92@mail.ru) - Военный институт дополнительного профессионального образования ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» (адъюнкт); Ильин В.А. (komandor.99@mail.ru) - Санкт-Петербургский филиал НИИ «Центрпрограммсистем» (профессор, старший научный сотрудник НИЛ), доктор военных наук;
Аннотация: Классическое функциональное моделирование на качественном уровне выполняется на основе анализа структуры связей между отдельными функциями моделируемого процесса без учета их взаимодействия с другими системами, в том числе взаимного воздействия отдельных функций двух и более систем. В представленной статье дается общий анализ функционального моделирования двух сложных взаимодействующих систем с антагонистическими целями. При взаимодействии этих систем одна из них целенаправленно атакует другую, а противоположная сторона защищается, пассивно или активно противодействуя этим атакам, то есть существует определенная конкуренция между системами. В качестве примера рассмотрен некий абстрактный процесс, представленный в нотации технологии IDEF0 и являющийся функциональной моделью двух сложных взаимодействующих систем с антагонистическими целями. Интерпретируя эту модель как орграф, осуществляется формирование матрицы связей функций моделируемого процесса, на основе которой выводятся математические зависимости определения эффективности функциональной модели двух сложных взаимодействующих систем с антагонистическими целями.
Abstract: Classical functional modelling is based on the structure analysis of links between individual functions of the modelled process. It does not take into account their interaction with other systems, including mutual influence of separate functions of two or more systems. The paper shows a general analysis of functional modelling of two complex interacting systems with antagonistic goals. When these systems interact, one of them purposefully attacks the other and the opposite side defends itself. It passively or actively counteracts these attacks, i.e. there is a certain competition between the systems. As an example, the paper considers a certain abstract process presented in the IDEF0 technology notation, which is a functional model of two complex interacting systems with antagonistic goals. Interpreting this model as a digraph forms a matrix of relations of the modelled process functions. This matrix is a basis for deriving mathematical dependencies for determining the effectiveness of the functional model of two complex interacting systems with antagonistic goals.
Ключевые слова: защита, атака, воздействие, технология IDEF0, процесс функционирования, матрица связей, эффективность функциональной модели, сложные системы с антагонистическими целями, функциональная модель
Keywords: defense, attack, impact, IDEF0 technology, functioning process, relationship matrix, efficiency of a functional model, complex systems with antagonistic goals, functional model
Просмотров: 631

10. Реберная раскраска кубического графа в задаче распараллеливания расчетов на неструктурированной поверхностной расчетной сетке [№3 за 2024 год]
Авторы: Гуличева А.А. (gulicheva@mirea.ru) - МИРЭА – Российский технологический университет (ассистент); Рыбаков А.А. (rybakov@jscc.ru ) - Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН – филиал ФНЦ НИИСИ РАН (ведущий научный сотрудник), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: В статье рассмотрен вопрос повышения производительности работы конечно-объемных численных методов на вычислительных системах с общей памятью. В этих методах на этапе расчета перетекания потоков консервативных величин через границы расчетных ячеек возможны конфликты по данным, что приводит к снижению производительности, особенно при большом количестве одновременно работающих потоков. Для устранения конфликтов по данным предлагается решение, основанное на разбиении множества обрабатываемых границ ячеек расчетной сетки на подмножества без конфликтов и на обработке этих множеств по отдельности. Решение рассматривается на примере расчетов на поверхностных неструктурированных расчетных сетках, для которых поставленная задача сводится к задаче построения реберной раскраски кубического графа. Для построения реберной раскраски кубического графа применены два алгоритма: тривиальный линейный алгоритм раскраски в пять цветов и алгоритм построения раскраски Тейта в три цвета. Проводится сравнение двух алгоритмов раскраски, а также замеряется влияние предложенного подхода на эффективность распараллеливания расчетов на поверхностной расчетной сетке. Использование подхода избавления от зависимостей по данным с помощью реберной раскраски кубического графа протестировано на численной задаче расчета обледенения поверхности тела. Запуски выполнялись на микропроцессоре Intel Xeon Phi с большим количеством параллельных потоков. Результаты показали, что при возрастании количества потоков до 144 и более эффективность распараллеливания при использовании реберной раскраски вдвое выше, чем при обычном подходе по устранению зависимостей с помощью директив OpenMP.
Abstract: The paper considers the issue of improving the performance of finite-volume numerical methods on shared-memory computing systems. In these methods, data conflicts are possible at the stage of calculation of conservative value flows across computational cell boundaries. This leads to performance degradation, especially with a large number of simultaneously operating flows. To eliminate data conflicts, the paper proposes a solution based on partitioning the set of processed cell boundaries of the computational grid into subsets without conflicts and processing these sets separately. The authors consider the solution on the example of calculations on surface unstructured computational grids. For them the problem is reduced to the problem of constructing a cubic graph edge coloring. To construct a cubic graph edge coloring, the authors apply two algorithms: the trivial linear algorithm of coloring in five colors and the algorithm of Tait coloring in three colors. The authors of the paper compare two coloring algorithms, as well as measure the influence of the proposed approach on the efficiency of calculation parallelization on a surface computational grid. The use of the data dependency elimination approach using cubic graph edge coloring was tested on the numerical problem of calculating body surface icing. Specialists performed launches on an Intel Xeon Phi microprocessor with a large number of parallel flows. The results showed that when the number of flows increases up to 144 and more, the efficiency of parallelization using edge coloring is twice as high as that of the usual approach of dependency elimination using OpenMP directives.
Ключевые слова: раскраска Тейта, реберная раскраска, дуальный граф, расчетная сетка, векторизация, распараллеливание, численные методы
Keywords: Tait coloring, edges coloring, dual graph, computational grid, vectorization, parallelization, numerical computation
Просмотров: 674

| 1 | 2 | Следующая →