Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН) @ia-spcras
Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 287
Полиномиальные аппроксимации некоторых функций активации нейронных сетей
Статья
Активное внедрение систем машинного обучения ставит актуальную задачу обеспечения их защиты от различных типов атак, направленных на нарушение свойств конфиденциальности, целостности и доступности как обрабатываемых данных, так и обучаемых моделей. Одним из перспективных направлений защиты является разработка конфиденциальных систем машинного обучения, использующих гомоморфные схемы шифрования для защиты моделей и данных. Однако такие схемы могут обрабатывать только полиномиальные функции, что в свою очередь ставит задачу построения полиномиальных аппроксимаций используемых в нейросетевых моделях нелинейных функций. Целью настоящей работы является построение наиболее точных аппроксимаций некоторых широко используемых функций активаций нейронных сетей, а именно ReLU, логистического сигмоида и гиперблолического тангенса, при ограничениях на степень аппроксимирующего полинома, а также оценка влияния точности такой аппроксимации на результат работы нейронной сети в целом. В отличие от опубликованных ранее работ рассматриваются и сравниваются различные способы построения аппроксимирующих полиномов, вводятся метрики точности приближения, приводится конкретный вид аппроксимирующих полиномов, а также соответствующие значения точности приближения. Проводится сравнение с аппроксимациями, приведенными в опубликованных ранее работах. В заключение для простейшей нейронной сети экспериментально оценено влияние точности приближения аппроксимирующего полинома на величину отклонения значений выходных нейронов такой сети от соответствующих значений выходных нейронов исходной сети. Результаты показывают, что для функции ReLU наилучшее приближение может быть получено с помощью численного метода, а для логистического сигмоида и гиперболического тангенса – с помощью полиномов Чебышева. При этом наилучшее приближение из трех рассмотренных функций получено для функции ReLU. Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при построении аппроксимаций функций активации в конфиденциальных системах машинного обучения.
Бесплатно
Помехоустойчивость сигналов однополосной модуляции с управляемым уровнем несущего колебания
Статья
Однополосная модуляция активно используются при организации связи посредством ионосферного канала в декаметровом диапазоне радиоволн. Это обусловлено, тем, что передачи с однополосной модуляции позволяют минимизировать полосу частот при сохранении скорости передачи информации и при этом повысить помехоустойчивость приема по отношению к передачам с амплитудной и частотной аналоговой модуляцией. Вместе с тем широкое применение технологий квадратурного синтеза открыли новые возможности по формированию передач с однополосной модуляцией без непосредственного применения процедур фильтрации. Анализ особенностей реализации метода квадратурного синтеза сигналов с однополосной модуляцией показал, что введение в состав его процедур дополнительного параметра позволит регулировать остаточный уровень несущего колебания и тем самым управлять помехоустойчивостью приема. Открывшиеся возможности позволили разработать способ и реализующее его устройство формирования сигнала однополосной модуляции с регулируемым уровнем несущего колебания. Рассмотрены технологии квадратурного синтеза сигналов амплитудной модуляции и однополосной модуляции с подавленной несущей как на уровне аналитического моделирования, так и с применением стандартного квадратурного модулятора. Обоснована необходимость перехода к аналитической форме представления модулирующего сигнала. Показана роль и место преобразователя Гильберта при формировании сигналов с однополосной модуляцией. Рассмотрены известные технологии формирования сигналов однополосной модуляции с сохраненным пилот-сигналом. Обоснована возможность управления величиной сохраненного пилот-сигнала на уровне процедур квадратурного синтеза. Разработана аналитическая модель и на ее основе структурная схема, позволяющая формировать сигналы однополосной модуляции с регулируемым уровнем пилот-сигнала. Демонстрируются результаты аналитического моделирования. Рассчитана величина обеспечиваемого энергетического выигрыша в результате регулирования остаточным уровнем несущего колебания. Проанализированы подходы к оценке помехоустойчивости передач с однополосной модуляцией. Предложен подход к расчету вероятности битовой ошибки передач с однополосной модуляцией, манипулированных дискретными колебаниями по результатам перераспределения энергии между несущим колебанием и боковой полосой, определяемого остаточным уровнем пилот-сигнала. Сформулированы выводы и предложения по практической реализации полученных результатов.
Бесплатно
Постквантовые двухключевые криптосхемы на конечных алгебрах
Статья
Одним из направлений разработки практичных постквантовых криптографических алгоритмов с открытым ключом является использование конечных алгебр в качестве их алгебраического носителя. Рассматриваются два подхода в этом направлении: 1) построение алгоритмов электронной цифровой подписи со скрытой группой на некоммутативных ассоциативных алгебр и 2) построение алгоритмов многомерной криптографии с использованием операции экспоненцирования в векторном конечном поле (коммутативной алгебре, являющейся конечным полем) для задания нелинейного отображения с секретной лазейкой. Первый подход включает разработку криптосхем двух типов: основанных на вычислительной трудности а) скрытой задачи дискретного логарифмирования и б) решения большой системы квадратных уравнений. Для второго подхода возникают проблемы обеспечения полной рандомизации цифровой подписи и задания некоммутативных ассоциативных алгебр большой размерности. Обсуждаются способы решения данных проблем. Показана важность исследования строения конечных некоммутативных алгебр с точки зрения декомпозиции на множество коммутативных подалгебр. Другое направление использования конечных алгебр для разработки криптографических алгоритмов с открытым ключом связано с существенным (в 10 и более раз) уменьшением размера открытого ключа в алгоритмах многомерной криптографии. В нем возникает проблема разработки формализованных параметризуемых унифицированных способов задания векторных конечных полей больших размерностей (от 5 до 130) с достаточно большим числом потенциально реализуемых типов и модификаций (до 2500 и более), задаваемых различными наборами структурных констант, с помощью которых определяется операция умножения векторов. Предложены варианты указанных способов и топологий нелинейных отображений на векторных конечных полях различных размерностей. Показано, что использование отображений, задающих операцию экспоненцирования в векторных конечных полях, потенциально обеспечивает устранение основного недостатка известных алгоритмов многомерной криптографии, связанного с большим размером открытого ключа.
Бесплатно
Статья
Современное состояние решения задачи комплексного планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах характеризуется отсутствием универсальных способов формирования решений по составам пакетов, наличием ограничений на размерность задачи и невозможностью гарантированного получения эффективных решений при различных значениях ее входных параметров, а также невозможностью учета условия формирования комплектов из результатов. В статье авторами реализовано решение задачи планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах при формировании комплектов результатов в заданные для них директивные сроки. Для решения задачи планирования выполнена декомпозиция обобщенной функции системы на совокупность иерархически взаимосвязанных подфункций. Применение декомпозиции позволило использовать иерархический подход для планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах, предусматривающий определение решений по составам пакетов на верхнем уровне иерархии и построение расписаний выполнения пакетов на нижнем уровне иерархии. Для оптимизации решений по составам пакетов и расписаниям их выполнения в соответствии с иерархическим подходом применена теория иерархических игр. Построена математическая модель иерархической игры для определения эффективных составов пакетов заданий и расписаний их выполнения, представляющая собой систему критериев на уровнях принятия решений. Оценка эффективности решений по составам пакетов на верхнем уровне иерархии обеспечивается распределением результатов выполнения заданий по комплектам в соответствии с сформированным расписанием. Для оценки эффективности решений по составам пакетов сформулирован метод упорядочивания идентификаторов типов комплектов с учетом директивных сроков и метод распределения результатов выполнения заданий по комплектам, реализующий вычисление моментов времени окончания формирования комплектов и запаздываний с их формированием относительно заданных директивных сроков. Выполнены исследования планирования процесса выполнения пакетов заданий в многостадийных системах при условии формирования комплектов в заданные директивные сроки. На их основе сформулированы выводы, касающиеся зависимости эффективности планирования от входных параметров задачи.
Бесплатно
Статья
Распознавание движений при прыжках с помощью видео является значительным вкладом, поскольку оно значительно влияет на интеллектуальные приложения и будет широко применяться в жизни. Этот метод может быть использован для обучения будущих танцоров с использованием инновационных технологий. Сложные позы будут повторяться и совершенствоваться с течением времени, что снизит нагрузку на инструктора при многократном выполнении. Танцоров также можно воссоздать, удалив элементы из их изображений. Распознавать движения танцоров, проверять и корректировать их позы, и еще одним важным аспектом является то, что наша модель может извлекать когнитивные функции для эффективной оценки и классификации, а глубокое обучение в настоящее время является одним из лучших способов сделать это для возможностей коротких видеороликов. Кроме того, при оценке качества видеозаписи выступления точность выполнения каждого танцевального шага является сложной проблемой, когда глаза судей не могут на 100% сфокусироваться на танце на сцене. Более того, танцы на видео сегодня представляют большой интерес для ученых, поскольку технологии все больше развиваются и становятся полезными для замены людей. Основываясь на реальных условиях и потребностях Вьетнама. В этой статье мы предлагаем метод, заменяющий ручную оценку, и наш подход используется для оценки танца с помощью коротких видеороликов. Кроме того, мы проводим танцевальный анализ с помощью коротких видеороликов, применяя таким образом такие методы, как глубокое обучение, для оценки и сбора данных, на основе которых можно делать точные выводы. Эксперименты показывают, что наша оценка является относительно точной, когда рассчитываются значения точности и F1-балла. Точность составляет более 92,38% и 91,18% F1-балла соответственно. Это демонстрирует, что наш метод хорошо и точно работает при анализе оценки танца.
Бесплатно
Статья
Последовательности, в том числе последовательности векторов, применимы в любых предметных областях. Последовательности скалярных значений или векторов (ряды) могут быть порождены последовательностями более высокого порядка, например: последовательностями состояний, элементов сложных объектов. Работа посвящена применению усовершенствованного trie-дерева в задаче классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов методом динамического программирования. Рассмотрены сферы применения динамического программирования. Показано, что динамическое программирование приспособлено к многошаговым операциям вычисления аддитивных (мультипликативных) мер подобия / различия. Утверждается, что усовершенствованное trie-дерево применимо в задаче классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов методом динамического программирования при использовании таких мер подобия / различия. Выполнен анализ иерархических представлений множеств последовательностей. Описаны преимущества, которые обеспечивает усовершенствованное trie-дерево по сравнению с традиционными представлениями других сильноветвящихся деревьев. Разработано формальное описание усовершенствованного trie-дерева. Дано пояснение ранее полученным данным о существенном приросте скорости операций добавления и удаления последовательностей в усовершенствованном trie-дереве относительно использования массива с индексной таблицей (24 и 380 раз, соответственно). Выполнена постановка задачи пофонемного распознавания речевых команд как задачи классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов и изложен метод её решения. Разработан метод классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов с применением усовершенствованного trie-дерева. Он исследован на примере пофонемного распознавания с иерархическим представлением словаря классов речевых команд. В этом методе распознавание речевых команд выполняют в процессе обхода усовершенствованного trie-дерева, хранящего множество транскрипций речевых команд – последовательностей транскрипционных символов, которые обозначают классы звуков. Численные исследования показали, что классификация ряда как последовательности элементов сложных объектов повышает частоту правильной классификации по сравнению с классификацией ряда на множестве рядов, а применение усовершенствованного trie-дерева сокращает затраты времени на классификацию.
Бесплатно
Статья
Обеспечение устойчивости маркирования цифровых аудиосигналов в условиях действия помех, различных преобразований и возможных атак является актуальной проблемой. Одним из наиболее используемых и достаточно устойчивых методов маркирования является метод лоскута. Его робастность обеспечивается применением расширяющих биполярных числовых последовательностей при формировании и внедрении маркера в цифровой аудиосигнал и корреляционного детектирования при обнаружении и извлечении маркерной последовательности. Анализ свойств биполярных последовательностей, реализуемых в методе лоскута, показал, что абсолютные значения величины отношения максимума автокорреляционной функции (АКФ) к её минимуму для расширяющих биполярных последовательностей и расширенных маркерных последовательностей, используемых при традиционном маркировании, с высокой точностью приближаются к 2. Это позволило сформулировать критерии для поиска специальных расширяющих биполярных последовательностей, обладающих улучшенными корреляционными свойствами и большей устойчивостью. В статье разработан математический аппарат для поиска и построения предельных расширяющих биполярных последовательностей, используемых при решении задачи робастного маркирования цифровых аудиосигналов по методу лоскута. Предельные биполярные последовательности определены как последовательности, у которых автокорреляционные функции обладают максимально возможными по абсолютному значению отношениями максимума к минимуму. Сформулированы и доказаны теоремы и следствия из них: о существовании верхней границы минимальных значений автокорреляционных функций предельных биполярных последовательностей и о значениях первого и второго лепестков АКФ. На этой основе дано строгое математическое определение предельных биполярных последовательностей. Разработаны метод поиска полного множества предельных биполярных последовательностей на основе рационального перебора и метод построения предельных биполярных последовательностей произвольной длины с использованием порождающих функций. Представлены результаты компьютерного моделирования по оценке значений абсолютной величины отношения максимума к минимуму автокорреляционной и взаимной корреляционных функций исследуемых биполярных последовательностей для слепого приема. Показано, что предложенные предельные биполярные последовательности характеризуются лучшими корреляционными свойствами в сравнении с традиционно используемыми биполярными последовательностями и обладают большей устойчивостью.
Бесплатно
Предисловие. Памяти Юсупова Рафаэля Мидхатовича
Статья
Данный тематический выпуск – Том 24 № 6 2025 г. посвящен памяти выдающегося ученого в области информатики, информационных технологий и теории управления, основателя и руководителя научных школ по теоретическим основам информатизации общества и по теории чувствительности сложных информационно-управляющих систем, руководителя научного направления Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) – СПБ ФИЦ РАН, директора СПИИРАН (1991-2018 гг.), доктора технических наук, члена-корреспондента РАН, заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Юсупова Рафаэля Мидхатовича.
Бесплатно
Статья
При согласованном круговом движении группы автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА или дронов) важно обеспечить предотвращение столкновений между ними. Характерная ситуация возникает в том случае, если один из дронов круговой формации должен обогнать впереди летящего. Причина необходимости такого обгона может заключаться в заданной геометрии формации БПЛА, когда эта конфигурация заданного взаимного положения дронов поменялась по какой-либо причине. При этом ограниченная маневренность БПЛА именно самолетного требует учета особенностей их динамики при синтезе алгоритма предотвращения столкновений. Здесь также играет роль невозможность падения воздушной скорости БПЛА самолетного типа ниже определенного минимального значения. В данной статье предлагается использовать подход на основе вихревых векторных полей, которые по сути являются вращательной модификацией метода искусственного потенциального поля (APF). При этом круговое движение обеспечивается разработанным в предыдущих наших работах алгоритмом следования вдоль линии пути. В итоге был предложен алгоритм предотвращения столкновений, который работает эффективно, сохраняя согласованное круговое движение автономной формации дронов без излишних разворотов. Данный алгоритм был назван «Artificial Potential Field for Circular Motion» (сокращенно APFfCM). С помощью прямого метода Ляпунова показано, что траектории системы формации обладают равномерной ограниченностью при использовании предлагаемого алгоритма управления. За счет ограниченности кандидата на функцию Ляпунова при этом гарантировано, что не произойдет события столкновения между дронами. Таким образом, цель управления по обеспечению согласованного кругового движения без столкновений для автономной группы дронов самолетного типа достигается. Эффективная работа предлагаемого алгоритма продемонстрирована на моделях БПЛА самолетного типа («летающее крыло») в среде MATLAB/Simulink. Эти модели обладают как полной нелинейной динамикой, так и реализацией настроенных автопилотов, стабилизирующих угловое и траекторное движение.
Бесплатно
Приближенная оценка задержек в компьютерной системе с контейнерной виртуализацией
Статья
Ключевую роль в достижении высокой надежности, безопасности, отказоустойчивости и малых задержек обслуживания запросов в распределенных системах (в том числе облачных вычислений) играет консолидация ресурсов обработки и хранения данных в кластерах, эффективность которых повышается при использовании технологий виртуальных машин и контейнерной виртуализации. Сложность построения моделей массового обслуживания систем контейнерной виртуализации вызвана тем, что интенсивность выполнения запросов в каждом контейнере связана с динамическим разделением общих ресурсов между активными (выполняющими функциональные задачи) контейнерами и издержками на поддержку всех развернутых в виртуальной машине контейнеров, в том числе неактивных, ожидающих направления в них запросов для обслуживания. Снижение интенсивности обслуживания в каждом контейнере из-за совместного использования общих ресурсов зависит от многих трудно исследуемых факторов. Для кластеров с контейнерной виртуализацией в данной статье предлагается приближенная граничная оценка среднего времени ожидания запросов и вероятности их своевременного обслуживания. При построении аналитической модели каждый контейнер представляется как отдельная одноканальная система массового обслуживания с бесконечной очередью и простейшим входным потоком. Основное отличие предлагаемой модели виртуального кластера заключается в граничной верхней, нижней и усредненной оценке возможного снижения интенсивности обслуживания в контейнерах из-за разделения между ними общих ограниченных вычислительных ресурсов узла кластера в зависимости от количества развернутых в нем контейнеров и изменяющегося числа активных контейнеров, зависящего от интенсивности входного потока. Показано существование оптимального числа развернутых в узлах контейнеров, при котором среднее время пребывания запросов в системе минимально, либо вероятность выполнения запросов за заданное время максимальна. Предлагаемые модели могут быть применены при структурно-параметрической оптимизации кластеров с конвейерной виртуализацией, в том числе в случае масштабирования и реконфигурации, адаптивной к и изменениям трафика, путем отключения или подключения части развернутых контейнеров в зависимости от изменений нагрузки в системе.
Бесплатно
Приложения машинного обучения для прогнозирования сроков доставки и планирования перевозок
Статья
Стремительное развитие технологий оказывает огромное влияние на логистику и грузоперевозки. Эффективное управление графиками перевозок критически важно для предприятий, стремящихся минимизировать затраты, сократить задержки доставки и повысить удовлетворенность клиентов. Одна из ключевых задач в этой области – задача маршрутизации транспортных средств с временными окнами (VRPTW), которая требует не только поиска оптимальных маршрутов доставки, но и соблюдения определенных временных ограничений для каждого клиента или пункта доставки. Традиционные методы оптимизации часто сталкиваются со сложностью и динамичностью реальных логистических процессов, особенно при работе с большими объемами данных и непредсказуемыми факторами, такими как пробки на дорогах или погодные условия. Для устранения этих ограничений в данном исследовании представлена система на основе машинного обучения, которая повышает производительность существующих решений VRPTW. В отличие от традиционных подходов, которые полагаются исключительно на эвристику или статическое планирование, наша система использует современные модели машинного обучения для прогнозирования ключевых временных параметров, включая время доставки, время доступности и время обслуживания, на основе исторических и контекстных данных. Эти возможности прогнозирования позволяют алгоритмам маршрутизации принимать более обоснованные решения, что приводит к более точному и адаптируемому планированию. Опираясь на предыдущие исследования с использованием моделей случайного леса, мы предлагаем более надежную структуру, которая включает в себя передовые методы предварительной обработки и проектирование признаков для повышения точности модели. Обучая и оценивая систему с использованием реальных наборов данных, мы можем моделировать практические сценарии и подтверждать эффективность нашего подхода. Результаты экспериментов показывают, что предложенный метод стабильно превосходит распространенные модели машинного обучения с точки зрения средней абсолютной ошибки (MAE), тем самым подтверждая его потенциал для практического применения. Таким образом, данное исследование вносит свой вклад в масштабируемое и интеллектуальное решение давней логистической проблемы, открывая путь к более гибким и экономически эффективным транспортным системам.
Бесплатно
Применение алгоритмов биоинформатики для обнаружения мутирующих кибератак
Статья
Функционал любой системы может быть представлен в виде совокупности команд, которые приводят к изменению состояния системы. Задача обнаружения атаки для сигнатурных систем обнаружения вторжений эквивалентна сопоставлению последовательностей команд, выполняемых защищаемой системой, с известными сигнатурами атак. Различные мутации в векторах атак (включая замену команд на равносильные, перестановку команд и их блоков, добавление мусорных и пустых команд) снижают эффективность и точность обнаружения вторжений. В статье проанализированы существующие решения в области биоинформатики, рассмотрена их применимость для идентификации мутирующих атак. Предложен новый подход к обнаружению атак на основе технологии суффиксных деревьев, используемой при сборке и проверке схожести геномных последовательностей. Применение алгоритмов биоинформатики позволяет добиться высокой точности обнаружения мутирующих атак на уровне современных систем обнаружения вторжений (более 90%), при этом превосходя их по экономичности использования памяти, быстродействию и устойчивости к изменениям векторов атак. Для улучшения показателей точности проведен ряд модификаций разработанного решения, вследствие которых точность обнаружения атак увеличена до 95% при уровне мутаций в последовательности до 10%. Метод может применяться для обнаружения вторжений как в классических компьютерных сетях, так и в современных реконфигурируемых сетевых инфраструктурах с ограниченными ресурсами (Интернет вещей, сети киберфизических объектов, сенсорные сети).
Бесплатно
Применение гармонических полуволн для автоматизации управления высокоскоростными поездами
Статья
Процессы экстренного торможения в Европейской системе управления поездами (European Train Control System (ETCS)) связаны со ступенчатым регулированием ускорения (замедления) в зависимости от способности торможения поезда, данных рельефа и меняющейся погоды на маршруте движения. Эти процессы являются определяющими в ETCS. Процедура ступенчатого регулирования замедления осуществляется машинистом многократно в процессе торможения до полной остановки поезда. Начало экстренного торможения и его окончание, а так же сам процесс торможения сопровождается многократным импульсным срабатыванием тормозов, что приводит к скачкам замедления и, соответственно, к повышенному износу тормозной системы, снижению комфорта для пассажиров, из чего следует ограничение максимально допустимой скорости движения. В статье предложена новая концепция и методика построения математических моделей кривых экстренного торможения отличных от кривых ETCS и основанных на гармонических полуволнах. Показано, что кривые торможения ETCS описываются известными степенными полуволнами второго порядка. Совместное их исследование даёт основание утверждать, что применение этих кривых приводит к обязательному импульсному режиму срабатывания тормозов. Предложены два новых варианта моделей кривых экстренного торможения, описываемых гармоническими полуволнами. Первый вариант имеет одно импульсное срабатывание тормозов в конце интервала торможения. Второй вариант свободен от тормозных импульсов и позволяет использовать непрерывное регулирование. Эти модели объясняют особенности ETCS, содержат предложения по их устранению, применимы для разработки новых кривых экстренного торможения, которые позволяют плавно осуществлять экстренное торможение поездов. Работоспособность, отличия и преимущества перед кривыми торможения ETCS показаны на результатах математического моделирования процессов экстренного торможения.
Бесплатно
Применение многоуровневых моделей в задачах классификации и регрессионного анализа
Статья
Применение моделей машинного обучения обуславливает необходимость создания методов, направленных на повышение качественных показателей обработки информации. В большинстве практических случаев диапазоны значений целевых переменных и предикторов формируются под воздействием внешних и внутренних факторов. Такие явления, как дрейф концепций, приводят к тому, что модель со временем понижает показатели полноты и точности результатов. Целью работы является повышение качества анализа выборок и информационных последовательностей на основе многоуровневых моделей для задач классификации и регрессии. Предлагается двухуровневая архитектура обработки данных. На нижнем уровне происходит анализ поступающих на вход информационных потоков и последовательностей, осуществляется решение задач классификации или регрессии. На верхнем уровне выполняется разделения выборок на сегменты, определяются текущие свойства данных в подвыборках и назначаются наиболее подходящие по достигаемым качественным показателям модели нижнего уровня. Приведено формальное описание двухуровневой архитектуры. В целях повышения показателей качества решения задач классификации и регрессии производится предварительная обработка выборки данных, вычисляются качественные показатели моделей, определяются классификаторы, имеющие лучшие результаты. Предложенное решение позволяет реализовывать постоянно обучающиеся системы обработки данных. Оно направлено на снижение затрат на переобучение моделей в случае трансформации свойств данных. Проведены экспериментальные исследования на ряде наборов данных. Численные эксперименты показали, что предложенное решение позволяет повысить качественные показатели обработки. Модель может быть рассмотрена как совершенствование ансамблевых методов обработки информационных потоков и выборок данных. Обучение отдельного классификатора, а не группы сложных классификационных моделей дает возможность уменьшить вычислительные затраты.
Бесплатно
Применение предварительно обученных многоязычных моделей для распознавания карельской речи
Статья
В настоящей статье описывается экспериментальное исследование, направленное на решение проблемы обучения моделей для распознавания речи в условиях малого объема обучающих речевых и текстовых данных. Подробно рассматриваются существующие подходы к решению данной проблемы, в частности, использование преодобученных многоязычных моделей и аугментация данных. В работе проведена адаптация многоязычных моделей на базе Wav2Vec и Whisper к ливвиковскому наречию карельского языка и проведено исследование применения внешней языковой модели для повышения точности распознавания интегральной системы. Кроме того, в статье описаны специально собранная и подготовленная речевая база данных и базовая система распознавания, созданная на основе тулкита Kaldi. Приведены количественные результаты тестирования, которые подтверждают эффективность выбранных методов: так, использование моделей на архитектуре Трансформер, в частности, Wav2Vec, позволило достичь более высоких показателей, чем у базовых моделей, обученных с помощью программных средств Kaldi. Дообучение моделей Wav2Vec снизило количество неправильно распознанных слов до 24,73% на валидационной и до 25,25% на тестовой выборках, а использование модели Wav2Vec-BERT 2.0 с внешней языковой моделью дополнительно уменьшило количество неправильно распознанных слов до 17,12% и 17,72% соответственно. Статья адресована, в первую очередь, специалистам, занимающимся разработкой систем автоматического распознавания речи для малоресурсных языков и распознаванием речи на прибалтийско-финских языках, в частности, результаты этой работы могут найти практическое применение в полевых исследованиях, при записи текстов на карельском.
Бесплатно
Статья
Рассматриваются варианты применения сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации для решения задач классификации. Проводится анализ современного состояния спайковых нейронных сетей. Делается вывод о крайне низком количестве работ по исследованию сегментных моделей нейрона. В качестве модели нейрона для данной работы обосновывается выбор сегментной спайковой модели. Приводится краткое описание такой модели, отмечены её основные особенности, позволяющие производить её структурное реконфигурирование. Описывается способ структурной адаптации модели ко входному паттерну импульсов. Приводится общая схема организации сегментных спайковых нейронов в сеть для решения задачи классификации. В качестве кодирования числовой информации в паттерны импульсов выбирается временное кодирование. Приводятся краткие результаты экспериментов по решению задачи классификации на общедоступных наборах данных (Iris, MNIST). Делается вывод о сопоставимости полученных результатов с результатами, полученными классическими методами. Кроме того, приводится подробное пошаговое описание экспериментов по определению состояния телеуправляемого необитаемого подводного аппарата: определение расстояния такого аппарата до дна и определение характера его движения. Показано соответствие полученных результатов реальному состоянию телеуправляемого необитаемого подводного аппарата. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейрона с возможностью структурной адаптации при решении задач классификации. Рассмотрены дальнейшие перспективные продолжения исследований основанных на сегментных спайковых моделях нейрона.
Бесплатно
Примитивы движения робота в задаче планирования траектории с кинематическими ограничениями
Статья
Автоматическое планирование траектории – актуальная научно-техническая задача, решения которой востребованы во многих областях: беспилотный транспорт, роботизированная логистика, социальная робототехника и т.д. Зачастую при планировании траектории необходимо учитывать тот факт, что агент (робот, беспилотный автомобиль и др.) не может произвольно менять ориентацию при движении, другими словами – необходимо учитывать кинематические ограничения при планировании. Одним из широко-распространенных подходов к решению этой задачи является подход, опирающийся на конструирование траектории из заранее подготовленных фрагментов, примитивов движения, каждый из которых в свою очередь удовлетворяет кинематическим ограничениям. Зачастую, акцент при разработке методов, реализующих этот подход, делается на сокращении перебора вариантов при планировании (эвристический поиск), при этом сам набор доступных примитивов считается заданным извне. В этой же работе, мы наоборот ставим своей целью провести исследование и анализ влияния различных доступных примитивов движения на качество решения задачи планирования при фиксированном алгоритме поиска. В частности, рассматриваются 3 различных набора примитивов движения для колесного робота с дифференциальным приводом. В качестве алгоритма поиска используется известный в искусственном интеллекте и робототехнике алгоритм A*. Качество решения оценивается по 6 метрикам, включая время планирования, длину и кривизну результирующей траектории. На основании проведенного исследования делаются выводы о факторах, оказывающих наибольшее влияние на результат планирования, и даются рекомендации по построению примитивов движения, использование которых позволяет достичь баланса между скоростью работы алгоритма планирования и качеством отыскиваемых траекторий.
Бесплатно
Проблемные вопросы информационной безопасности киберфизических систем
Статья
Представляются анализ и систематизация современных исследований в области обеспечения информационной безопасности киберфизических систем. Рассматриваются проблемные вопросы, связанные с информационной безопасностью подобных систем: «Что атакуют?», «Кто атакует?», «Почему атакуют?», «Как атакуют?» и «Как защититься?». В качестве ответа на первый вопрос даются определение и классификация киберфизических систем по таким атрибутам этих систем, как сложность, связность, критичность и социальный аспект. В качестве ответа на второй и третий вопросы предлагается классификация атакующих по таким атрибутам, как тип доступа, способ доступа, намерения, знания и ресурсы. В качестве ответа на четвертый вопрос рассматривается классификация атакующих действий по таким атрибутам, как субъект и объект, способ воздействия, предпосылки и последствия. В качестве ответа на пятый вопрос предлагается классификация методов и средств защиты по таким атрибутам, как принцип работы, объект защиты и решаемая задача. Научная значимость статьи заключается в систематизации современного состояния исследований в предметной области. Практическая значимость статьи заключается в предоставлении информации о проблемных вопросах безопасности, которые характерны для киберфизических систем, что позволит учитывать их при разработке, администрировании и использовании таких систем.
Бесплатно
Проверка модели для обнаружения атак в реальном времени в системах распределения воды
Статья
Системы распределения воды представляют собой критическую инфраструктуру. Эти архитектуры очень важны, и нестандартное поведение может отразиться на безопасности человека. Фактически, злоумышленник, получивший контроль над такой архитектурой, может нанести множество повреждений как инфраструктуре, так и людям. В этой статье мы предлагаем подход к выявлению нестандартного поведения, ориентированного на системы распределения воды. Разработанный подход рассматривает формальную среду проверки. Журналы, полученные из систем распределения воды, анализируются в формальную модель, и, используя временную логику, мы характеризуем поведение системы распределения воды во время атаки. Оценка, относящаяся к системе распределения воды, подтвердила эффективность разработанного подхода при выявлении трех различных нестандартных режимов работы.
Бесплатно
Прогнозирование на фондовых рынках с использованием формализма статистической механики
Статья
Аналитически исследована возможность и целесообразность прогнозирования на фондовых рынках с помощью методов и подходов статистической механики. Аппарат статистической механики применен для анализа и прогноза одного из важнейших показателей рынка – распределения логарифмической доходности. В качестве исходной модели использована модель Лотки-Вольтерра, применяемая в экологии для описания систем типа «хищник-жертва». Она адекватно аппроксимирует динамику рынка. В статье использована ее гамильтоновость, позволяющая применить аппарат статистической механики. Аппарат статистической механики (с использованием принципа максимальной энтропии) позволяет реализовать вероятностный подход, который адаптирован к условиям неопределенности фондового рынка. Канонические переменные гамильтониана представлены в виде логарифмов цен акций и облигаций, совместная функция распределения вероятности цен акций и облигаций получена в виде распределения Гиббса. Больцмановский фактор, входящий в распределение Гиббса, позволяет оценить вероятность появления тех или иных цен на акции и облигации и получить аналитическое выражение для вычисления логарифмической доходности, дающее более точные результаты, чем широко используемое нормальное (Гауссово) распределение. По своим характеристикам полученное распределение напоминает распределение Лапласа. Вычислены основные характеристики полученного распределения – среднее значение, дисперсия, асимметрия, эксцесс. Математические результаты представлены графически. Дано объяснение причинно-следственного механизма, вызывающего изменение доходности рынка. Для этого развита идея Теодора Модиса о конкуренции между акциями и облигациями за внимание и деньги инвесторов (по аналогии с оборотом биомассы в моделях типа «хищник-жертва» в биологии). Результаты исследования представляют интерес для инвесторов, теоретиков и практиков фондового рынка. Они позволяют принимать продуманные и взвешенные решения по инвестированию за счет более реального представления об ожидаемой доходности и более адекватной оценки инвестиционного риска.
Бесплатно
