Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 2 за 2024 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам |

1. Вычисления обратных функций распределений: алгоритмы и программы [№2 за 2024 год]
Авторы: Агамиров Л.В., Агамиров В.Л., Вестяк В.А.
Просмотров: 1121
Точный расчет ряда функций распределения случайных переменных в прикладных задачах математической статистики вызывает существенные вычислительные трудности, обусловленные наличием бесконечных пределов интегрирования, необходимостью минимизации целевых функций и отсутствием удовлетворительных аппроксимаций. Для решения поставленных задач авторами данной статьи получены точные аналитические соотношения, позволяющие производить численное интегрирование функций распределения коэффициента вариации и нецентрального распределения Стьюдента, сводящееся к вычислению однократных интегралов. Обратные функции распределения определяются минимизацией на основе симплекс-метода Нелдера–Мида. Аналогично решается задача точного вычисления числовых характеристик порядковых статистик. Разработаны алгоритмы и программы на Javascript с открытым кодом для реализации указанных вычислительных задач. Расчеты иллюстрируются графиками и таблицами, в которых представлены результаты вычисления квантилей нецентрального t-распределения Стьюдента в диапазоне объемов выборки от 3 до 50, вероятностей от 0,01 до 0,99 и доверительных вероятностей 0,9, 0,95 и 0,99. Время расчета в полном диапазоне всех параметров составляет не более 10–15 секунд на компьютере средней производительности, точность расчета – порядка 10-5. Отмечается, что основные временные затраты составляет численное интегрирование в связи с наличием бесконечных пределов интегрирования, в то время как минимизация осуществляется довольно быстро (не более 20–30 итераций). В статье также представлены результаты вычислений квантилей относительных коэффициентов вариации для объемов выборки 3–10, генеральных коэффициентов вариации 0,05, 0,3, 0,5 и вероятностей в диапазоне от 0,01 до 0,99. Выполнены сравни-тельные расчеты числовых характеристик нормальных и вейбулловских порядковых статистик, полученных прямым интегрированием и соответствующими аппроксимациями. В рассматриваемых программах применяются лишь простейшие и достаточно точные аппроксимации стандартных распределений: нормального распределения, гамма-функции, неполной гамма-функции. Разработанные алгоритмы пригодны для широкого класса непрерывных распределений, обратные функции которых не имеют приемлемых аппроксимаций.

2. Сегментация файлов неисполняемых форматов для выявления угроз нарушения информационной безопасности, реализуемых в форме эксплоитов [№2 за 2024 год]
Авторы: Архипов А.Н., Кондаков С.Е.
Просмотров: 862
В статье описана прикладная задача сегментации файлов неисполняемых форматов с целью выявления угроз нарушения информационной безопасности, реализуемых в форме эксплоитов (вредоносного кода). Актуальность исследования обусловлена необходимостью решения научной задачи выявления эксплоитов, в том числе тех, для которых применялись технологии обфускации, и повышения эффективности подсистемы антивирусной защиты информации за счет повышения чувствительности и специфичности выявления эксплоитов. Цель авторов исследования – создание алгоритма сегментации файлов неисполняемых форматов, позволяющего представить их в виде блоков (фрагментов), обеспечивающих максимальную вероятность вхождения в их состав элементов эксплоита. Сегментация файлов неисполняемых форматов применяется для обеспечения возможности последующего углубленного анализа не всего файла целиком, а его фрагментов на наличие вредоносного кода. Предметом исследования является множество методов, методик, моделей, алгоритмов сегментации файлов неисполняемых форматов с целью выявления угроз нарушения информационной безопасности, реализуемых в форме эксплоитов (вредоносного кода). В работе применяются научные методы анализа, измерения и сравнения. Авторами данной статьи разработан алгоритм сегментации, который позволяет представить файл неисполняемого формата в виде блоков оптимальных размеров, необходимых для выявления в их составе элементов эксплоита. Алгоритм базируется на математической модели эксплоита, внедренного в файл неисполняемого формата, разработанной авторами и математически описывающей структуру, составные элементы и показатели, характеризующие его. Предлагаемый алгоритм может использоваться для создания новых методов, методик, моделей, алгоритмов и средств, направленных на повышение эффективности защиты информации от воздействия вредоносного кода, распространяемого в форме эксплоитов, в том числе созданных с применением технологий обфускации (запутывания) программного кода.

3. Сравнительный анализ методов сжатия табличных данных [№2 за 2024 год]
Автор: Гарев К.В.
Просмотров: 765
В работе проанализированы методы компрессии табличных данных, используемых в рамках функционирования платформы «Инфраструктура научно-исследовательских данных» (Платформа ИНИД). Оператором платформы является Российский центр научной информации. Основная цель исследования – выявление наиболее оптимальных методик сжатия данных, способных быть интегрированными в структуру Платформы ИНИД для доработки функционала по обмену и управлению научными данными. В ходе работы проведен тщательный анализ пяти наиболее популярных методов сжатия данных, доступных для реализации с использованием программных средств Python: Deflate (gzip), LZMA, Bzip2, Brotli и Snappy. Для каждой из рассмотренных технологий сжатия выявлены их преимущества и недостатки с учетом специфики обработки табличных данных, в том числе коэффициента сжатия, скорости обработки и степени сохранности информации. Результаты данного исследования могут использоваться в практике обмена, хранения, обработки и анализа табличных данных в рамках Платформы ИНИД. Особое внимание уделено анализу преимуществ и недостатков каждого из методов сжатия. Это позволяет сформировать рекомендации по выбору наиболее подходящих технологий, соответствующих строгим требованиям к производительности, эффективности сжатия и надежности сохранности данных. Важным аспектом исследования является фокусировка на возможности оптимизации процессов внутри Платформы ИНИД, что направлено на повышение ее эффективности как инструмента в области работы с научными данными. Кроме того, данная работа способствует углублению понимания потенциала применения современных методов сжатия данных в контексте практик обмена научными данными, открывая перспективу для дальнейших исследований и разработок в этой области.

4. Повышение уровня автоматизации и объективности принятия решений в процессе транспортировки жидкого чугуна на производстве [№2 за 2024 год]
Авторы: Емельянов В.А., Черный С.Г., Емельянова Н.Ю.
Просмотров: 906
Статья посвящена прикладной задаче разработки системы поддержки принятия решений для процесса транспортировки жидкого чугуна. Ее актуальность обусловлена необходимостью повышения уровня автоматизации и объективности принятия решений в данном процессе на производстве. При проектировании функциональной архитектуры системы использован язык моделирования ArchiMate. Для моделирования вариантов ее использования применены объектно-ориентированный подход (включая объектно-ориентированный анализ, объектно-ориентированное проектирование и программирование) и унифицированный язык моделирования UML. В ходе работы построена модель функциональной архитектуры системы поддержки принятия решений для процесса транспортировки жидкого чугуна. Выполнен анализ функционала и проведено объектно-ориентированное проектирование статической структуры системы. Разработано программное обеспечение, позволяющее вычислять вес чугуна на основе первичных данных с датчиков и осуществляющее поддержку принятия решений относительно ремонта и эксплуатации ковшей (чугуновозов). Предложенная модель функциональной архитектуры системы позволила разработать специализированное программное обеспечение для автоматизации процесса принятия решений относительно ремонта и эксплуатации ковшей. Разработанное программное обеспечение протестировано на данных об эксплуатации ковшей на металлургическом комбинате.

5. Исследование эффективности алгоритма саранчи в задачах сегментации изображений [№2 за 2024 год]
Авторы: Запорожец Д.Ю., Кравченко Ю.А., Кулиева Н.В., Семенова М.М., Кулиев Э.В.
Просмотров: 735
Современные методы обработки изображений играют ключевую роль во множестве приложений, включая медицинскую диагностику, робототехнику и компьютерное зрение. Важной задачей является сегментация изображений, то есть выделение на них объектов и областей. В данной статье проведен анализ применения для решения этой задачи трех биоинспирированных алгоритмов: пчелиной колонии, светлячкового и алгоритма саранчи. Сделан обзор существующих методов сегментации изображений, описаны их ограничения в контексте современных требований высокой точности и эффективности. Особое внимание уделено описанию механизмов и принципов работы алгоритмов пчелиной и светлячковой колоний, их характеристикам, преимуществам и недостаткам при решении задач сегментации. Проведен анализ применения алгоритма саранчи в данных задачах, включая его адаптацию и экспериментальное исследование на разнообразных изображениях. Адаптация алгоритма включает внедрение специализированных механизмов для улучшения точности и эффективности поиска оптимального решения, что позволяет преодолеть ограничения существующих методов. Представлены экспериментальные исследования, которые подтверждают превосходство алгоритма саранчи над другими биоинспирированными подходами и демонстрируют его эффективность на изображении. Преимущество предложенного алгоритма саранчи состоит в сегментации изображений и открывает новые перспективы для его применения в различных областях обработки данных. Особое внимание уделено таким аспектам алгоритма саранчи, как гибкость, масштабируемость и способность адаптироваться к сложным задачам сегментации. Это делает его особенно ценным для применения в различных областях, требующих высокой точности и эффективности обработки изображений.

6. Применение алгоритмов сжатия информации для задачи когнитивного отображения проектного пространства многослойных экранов защиты от радиации [№2 за 2024 год]
Авторы: Зинченко Л.А., Казаков В.В., Карышев Б.В.
Просмотров: 692
В статье рассмотрены особенности применения алгоритмов снижения размерности в задачах проектирования многослойных радиационно стойких экранов защиты электронной аппаратуры для использования в космическом пространстве. Алгоритмы проецируют исследуемые данные о многослойных защитных экранах из пространства с высокой размерностью в пространство с низкой размерностью. При этом сохраняется семантика данных, что позволяет визуализировать большие наборы информации высокой размерности и многократно упрощает пользовательский визуальный анализ, а также применение некоторых алгоритмов и подходов в автоматизированном режиме. В статье рассмотрено применение следующих алгоритмов снижения размерности: анализ главных компонент (PCA), анализ ядра главных компонент (KernelPCA), стохастическое вложение соседей с t-распределением (t-SNE), равномерное приближение и проекция (UMAP), автоэнкодер (AE), вариационный автоэнкодер (VAE). В случае нейросетевых архитектур сжатия представлены предлагаемые архитектуры сетей, используемые в расчетах и тестировании. По предложенной методике исследована целесообразность комбинации нескольких алгоритмов снижения размерности, применяемых по цепочке. На основании проведенного исследования сделан вывод о результативности применения указанных алгоритмов, а также их комбинации для последующей обработки или визуализации. Кратко рассмотрено программное обеспечение, реализующее один из предложенных подходов в анализе и обработке информации о многослойных радиационно стойких экранах защиты электронной аппаратуры для использования в космическом пространстве. В результате сделан выбор в пользу алгоритма UMAP. Для анализа конфигураций с достаточно большим количеством параметров рекомендуется использовать алгоритм t-SNE с предварительным сжатием алгоритмом UMAP, который упрощает исходный набор данных, улучшая результат работы t-SNE.

7. Реализация программного комплекса психодиагностики с обратной связью на основе компьютерного зрения [№2 за 2024 год]
Авторы: Иващенко А.В., Александрова М.В., Жейков Д.С., Мазанкина Е.В., Захарова Е.В., Колсанов А.В.
Просмотров: 867
В статье представлен программный комплекс психодиагностики, позволяющий учитывать вовлеченность респондентов при прохождении тестов. Предметом исследования является управление глубиной погружения пользователей интерактивных пользовательских интерфейсов. Предлагается формальная модель иммерсивной среды, предназначенная для реализации системы управления погружением пользователя в процессы человеко-компьютерного взаимодействия путем мониторинга и контроля выполняемых действий в ответ на возникающие события. В качестве таких событий могут рассматриваться воздействия на пользователя в реальном мире, а также аудиовизуальные стимулы, формируемые в иммерсивной среде автоматически. Ответное поведение должно включать цепочки действий, автоматически фиксируемые средствами компьютерного зрения и окулографии. Разработанный программный комплекс психологической диагностики и медицинской реабилитации позволяет в отличие от аналогов реализовать обратную связь по мониторингу и контролю вовлеченности пациентов. Для этого в состав системы входит подсистема компьютерного зрения, включающая видеокамеру и программное обеспечение видеоконтроля двигательной активности пациента. Программное обеспечение отслеживает общий объем мимических движений, движений головы, а также идентифицирует текущее эмоциональное состояние с помощью искусственной нейронной сети. Для обеспечения высокой вовлеченности пользователя предусмотрена персонификация пользовательского интерфейса и тестов. Практическая значимость работы состоит в реализации мониторинга вовлеченности пациентов при прохождении психологического тестирования и использования этой информации для персонификации медицинских услуг. Анализ вовлеченности пользователей программного комплекса психологической диагностики позволяет дополнить результаты психологического тестирования и адаптировать последовательность и содержание тестов, сохраняя интерес пользователя и снижая влияние внешних раздражителей.

8. Компьютерное моделирование химического состава стали для оптимизации ее производства за счет комбинирования плавок [№2 за 2024 год]
Авторы: Карачунов А.Г., Ершов Е.В.
Просмотров: 762
Целью работы является программная реализация поиска оптимального химического состава стали на основе объединения нескольких плавок в рамках оперативного производственного плана. В настоящее время в распоряжении предприятий черной металлургии применяется ряд программных инструментов для составления производственного расписания, в том числе позволяющих произвести расчет объема ферросплавов, необходимых для реализации заданного химического состава стали, а также выборочной проверки химических составов на комбинируемость между собой. Недостаток указанных решений заключается в отсутствии возможности подбора для выполнения конкретной производственной задачи в рамках оперативного планирования химического состава, удовлетворяющего критериям минимального расхода ферросплавов и обеспечивающего минимальный объем перепроизводства полупродукта при фиксированном объеме плавки. В работе описываются программное обеспечение модели увеличения комбинируемости химических составов стали при корректировке содержания химических элементов «Калькулятор комбинируемости химических составов стали» и лежащие в его основе алгоритмы. Разработка основана на свойстве унификации (комбинирования) нескольких химических составов стали для различных заказов таким образом, чтобы сформированный на их основе химический состав удовлетворял требованиям стандартов на производство соответствующих заказам марок стали и имел возможность реализации в производстве. Внедрение в производство описанного решения позволит оптимизировать производственный план в части излишков, обеспечить снижение количества отказных заказов, одиночных плавок, объемов нереализованной продукции, а также повысить серийность разливаемой стали за счет внедрения новых химических составов.

9. Разработка программного обеспечения технологического процесса электронно-лучевой сварки тонкостенных изделий [№2 за 2024 год]
Авторы: Курашкин С.О., Бухтояров В.В., Тынченко В.С., Шуткина Е.В.
Просмотров: 831
Целью данного исследования является повышение эффективности электронно-лучевой сварки (ЭЛС) тонкостенных конструкций. Для этого предлагается разработать и реализовать программные методы автоматизированного планирования и контроля процесса ЭЛС, включая статистическую и интеллектуальную обработку данных и математическую модель для расчета распределения температуры. На данный момент существует несколько решений для моделирования и управления процессом ЭЛС, но они имеют недостатки, такие как длительность моделирования в MATLAB при оптимизации параметров и коммерческое программное обеспечение, ориентированное на конкретное оборудование заказчика. Авторы предлагают автоматизированную систему управления ЭЛС (АСУ ЭЛС) тонкостенных деталей, разработанную на основе математической модели для расчета температурного распределения на поверхности свариваемых деталей. Эта система позволит моделировать процесс для разных сплавов с учетом геометрии и теплофизических параметров, планировать и прогнозировать, а также управлять им. Данные функции представлены в виде модулей, которые предоставляют настройку управляемых и регистрируемых параметров, целевых значений и допустимых диапазонов, что позволяет отслеживать и контролировать процесс и его отклонения. Система также может интегрироваться с различным электронно-лучевым оборудованием. Применение разработанной АСУ ЭЛС позволяет оптимизировать параметры, минимизировать дефекты сварных соединений и получать соединения требуемых размеров. Предметом исследования являются данные измерений параметров процесса ЭЛС, которые используются для контроля, оценки устойчивости и прогнозирования. АСУ ЭЛС может найти применение на предприятиях, занимающихся ЭЛС.

10. Инжиниринг цифрового тренажера для обучения операторов формования листового стекла [№2 за 2024 год]
Авторы: Мешалкин В.П., Чистякова Т.Б., Петров Д.Ю.
Просмотров: 879
В статье проведен анализ формования листового стекла флоат-методом, определены виды нештатных ситуаций технологического процесса. Выполнен кластерный анализ множества нештатных ситуаций, каждая из которых описана как теоретико-множественная модель. Для упрощения интерфейса цифрового тренажера разработаны модели бизнес-процессов для обучения и аттестации операторов. На основе анализа существующих бизнес-процессов предприятия в нотации BPMN 2.0 разработаны логико-информационные модели перспективных бизнес-процессов Разработка тестов и Аттестация сотрудников. При разработке архитектуры, режимов функционирования и программно-информационного обеспечения цифрового тренажера использована методика model-based system engineering, реализованная в среде визуального моделирования IBM Rhapsody на основе нотаций UML и SysML. Разработаны диаграммы вариантов использования и диаграммы классов цифрового тренажера с использованием языка UML, а также структура БД системы обучения, включающая критерии группировки ситуаций, характеристики ситуаций, функции пользователей системы, и структура ПО. Реализованы основные функции – обучение и тестирование операторов, ведение БД персонала цифрового тренажера, составление отчетов по результатам тестирования, редактирование БД по аварийным ситуациям на основе предварительного анализа опыта технологов и операторов. Цифровой тренажер разработан на языке PascalABC, для записи результатов использована текстовая БД. Разработан пользовательский интерфейс цифрового тренажера.

| 1 | 2 | Следующая → ►