Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН) @ia-spcras
Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 332
Формальный язык описания навигационного поведения мобильных роботов
Статья
Статья содержит результаты исследований в области формализации навигационного поведения мобильных роботов на основе когнитивного подхода к представлению пространства. Авторами предложен новый формальный язык LRNB (Language of Robot Navigation Behavior), предназначенный для описания информационно-двигательных действий, сценариев и миссий роботов в рамках интерпретирующей навигации. Ключевой особенностью когнитивного подхода является отказ от декартовой системы координат в пользу ориентированного графа – когнитивной карты, вершины которой соответствуют семантическим ориентирам, а рёбра – последовательностям действий, задаваемых на LRNB. Язык строится на универсальной структуре команды, обеспечивая возможность описания широкого спектра поведенческих паттернов: от простого движения вдоль объекта до сложных миссий с динамическими целями и логическими условиями. В работе представлены три метода построения когнитивных карт: на основе семантически сегментированных изображений, в процессе автономного исследования среды роботом, а также с использованием больших языковых моделей (БЯМ) для трансляции естественно-языковых инструкций в формальные команды LRNB. В качестве наиболее удобной иллюстрации для демонстрации возможностей LRNB проведена экспериментальная оценка возможностей БЯМ в автоматической генерации команд LRNB по текстовым описаниям. Показано, что на уровне отдельных информационно-двигательных действий модель демонстрирует высокую точность (95 % корректных преобразований), однако при переходе к формированию сложных составных сценариев эффективность критически снижается. Тем не менее, сделан вывод о практической применимости языка LRNB. Предложенный формальный язык LRNB демонстрирует высокую гибкость и выразительность, что делает его эффективным инструментом для описания сложного навигационного поведения мобильных роботов в разнообразных сценариях.
Бесплатно
Статья
Предлагается способ комплексирования разноракурсных изображений с применением алгоритма квазиоптимальной кластеризации пикселей к исходным снимкам земной поверхности. Исходные разноракурсные изображения, сформированные бортовой аппаратурой многопозиционных локационных систем, состыковываются в единый составной снимок и при помощи высокоскоростного алгоритма квазиоптимальной кластеризации пикселей редуцируются до нескольких цветов с сохранением характерных границ. Особенность алгоритма квазиоптимальной кластеризации заключается в генерации серии разбиений с постепенно увеличивающейся детализацией за счет переменного числа кластеров. Эта особенность позволяет выбрать подходящие разбиения пар состыкованных изображений из серии сгенерированных. На паре изображений из выбранного разбиения состыкованного снимка осуществляется поиск опорных точек выделенных контуров. Для этих точек определяется функциональное преобразование и после его применения к исходным снимкам осуществляется оценка степени корреляции комплексированного изображения. Как положение опорных точек контура, так и само искомое функциональное преобразование уточняется до тех пор, пока оценка качества комплексирования не будет приемлемой. Вид функционального преобразования подбирается по редуцированным по цвету изображениям, а затем применяется к исходным снимкам. Этот процесс повторяется для кластеризованных изображений с большей детализацией в том случае, если оценка качества комплексирования не является приемлемой. Целью настоящего исследования является разработка способа, позволяющего сформировать комплексное изображение земной поверхности из разноформатных и разнородных снимков. В работе представлены следующие особенности способа комплексирования. Первая особенность заключается в обработке единого составного изображения из пары состыкованных исходных снимков алгоритмом кластеризации пикселей, что позволяет подобным образом выделить одинаковые области на его различных частях. Вторая особенность заключается в определении функционального преобразования по выделенным точкам контура на обработанной паре кластеризованных снимков, которое и применяется к исходным изображениям для их комплексирования. В работе представлены результаты формирования комплексного изображения как по однородным (оптическим) снимкам, так и по разнородным (радиолокационным и оптическим) снимкам. Отличительной чертой предлагаемого способа является улучшение качества формирования, повышение точности и информативности итогового комплексного изображения земной поверхности.
Бесплатно
Статья
Проблема анализа устойчивости и как ее составных частей надежности и живучести является довольно востребованной как в области телекоммуникаций, так и в других отраслях, занимающихся разработкой и эксплуатацией сложноразветвленных сетей. Наиболее подходящей моделью сети для подобного рода задач оказывается модель, использующая постулаты теории графов. При этом предположение о случайном характере отказов отдельных звеньев телекоммуникационной сети позволяет ее рассматривать в виде обобщенной модели Эрдеша–Реньи. Хорошо известно, что вероятность выхода из строя элементов может трактоваться в форме коэффициента готовности и коэффициента оперативной готовности, а также в виде других показателей, характеризующих работоспособность элементов телекоммуникационной сети. Большинство подходов рассматривают лишь случай двухполюсной связности, когда необходимо обеспечить взаимодействие двух конечных адресатов. В современных телекоммуникационных сетях на первый план выходят услуги типа виртуальных частных сетей, для которых организуются многоточечные соединения, не укладывающиеся в понятие двухполюсной связности. В этой связи в работе предлагается расширить подобный подход для анализа многополюсной и всеполюсной связностей. Так, подход для двухполюсной связности базируется на методе, использующем в качестве основы матрицу связностей, и, по сути, предполагающий последовательный перебор всех сочетаний вершинных сечений, начиная с истока и стока. Данный способ приводит к включению в общий состав сечений не минимальных, что потребовало введения дополнительной процедуры проверки добавляемого сечения на безызбыточность. Подход для всеполюсной связности базируется на методе, использующем в качестве основы матрицу связностей, и, по сути, предполагающий последовательный перебор всех сочетаний вершинных сечений, не включая одну из вершин, считаемую терминальной. Более простым решением оказался контроль добавляемого сечения на уникальность. Подход для многополюсной связности аналогичен использованному при формировании множества минимальных всеполюсных сечений и отличается, лишь процедурой отбора используемых для образования матрицы сечений комбинаций, из всего множества которых сохраняются лишь те, которые содержат полюсные вершины. В качестве тестовой сети связи используется магистральная сеть Ростелеком, развернутая с целью формирования потоков в направлении "Европа – Азия". Показано, что многополюсные сечения являются наиболее общим понятием относительно двухполюсных и всеполюсных. Не смотря на возможность подобного обобщения, в практических приложениях целесообразно рассматривать именно частные случаи вследствие их меньшей вычислительного сложности.
Бесплатно
Цветовая кодировка кубитных состояний
Статья
Трудности алгоритмической имитации естественного мышления указывают на несовершенство используемых для этого форматов представления информации. В этом отношении перспективна кодировка информации кубитными состояниями квантовой теории, структура которых согласуется с крупными теориями когнитивной семантики. Представлено развитие этого подхода, связывающее кубитные состояния с цветом как самостоятельным носителем эмоционально-смысловых значений. Основой для этого стало геометрическое подобие цветовых тел и Гильбертова пространства кубитных состояний, позволившее установить между ними взаимооднозначное математическое отображение. Для этого использовано оригинальное разложение кубита по тройке неортогональных векторов, соответствующих красному, синему и зелёному цветам. Действительные коэффициенты такого разложения являются томограммами кубитного состояния по соответствующим направлениям, связанными с компонентами вектора Стокса операцией поворота. При этом композиционные соотношения чёрного, белого и шести основных цветов (красный, зелёный, синий, жёлтый, фиолетовый, голубой) выражаются аналогичными суперпозициями кубитных состояний. Чистые и смешанные цвета соответствуют чистым и смешанным состояниям на поверхности и внутри сферы Блоха, тогда как оттенки серого отображаются на вертикальный диаметр сферы. При этом светлость цвета соответствует вероятности базисного кубитного состояния «1», тогда как насыщенность цвета и цветовой тон кодируют когерентность и фазу кубитного состояния. Полученный результат открывает возможности для использования квантовой информатики в задачах семантического анализа данных, обработки изображений и создания природоподобных вычислительных архитектур.
Бесплатно
Статья
Для принятия решения по обеспечению безопасности информационной инфраструктуры (ИИ) в целях ее устойчивого функционирования в условиях воздействия угроз требуется инструмент, позволяющий оценить устойчивость функционирования ее отдельных элементов. Применение полумарковской модели для оценивания устойчивости функционирования элементов ИИ, подверженной воздействию угроз, в прямой постановке сопряжено с ростом сложности описания объекта моделирования (параметрического пространства) в степенной прогрессии от числа учитываемых воздействий, что снижает ее практическую значимость. Однако в научной литературе не обнаружено исследований по снижению сложности полумарковской модели. В статье приведен подход к снижению сложности моделирования посредством принятия корректных допущений при формировании исходных данных. Приведены условия, при которых возможно принять ряд допущений, позволяющих значительно снизить сложность моделирования, платой за это является ограничение области применимости модели. Приводится постановка задачи и модифицированный граф переходов. Новизна постановки задачи заключается в учете ограничений на имеющийся ресурс для восстановления функциональности элемента. Для пояснения физической сущности процесса моделирования приводится мысленный эксперимент с моделью. Для решения задачи были использованы: а) экспертные методы для добывания исходных данных; б) математические модели частных полумарковских процессов; в) методы преобразований Лапласа; г) методы планирования эксперимента. Демонстрация последовательности решения задачи сопровождается иллюстративными примерами и графиками. В результате эксперимента были выявлены закономерности исследуемого процесса, существование которых было доказано формально. Исследование показало, что при принятии мотивированных допущений возможно снизить сложность моделирования. Результаты исследования расширяют знания о приложении методов марковских процессов для оценивания устойчивости функционирования элементов ИИ применительно к условиям воздействия угроз.
Бесплатно
Численное решение задачи фильтрации оценок информационного воздействия на электорат
Статья
В статье предложены постановка и численная схема решения задачи фильтрации оценок информационного воздействия средств масс-медиа на электорат, позволяющие с высокой степенью точности на заданном интервале наблюдения определить число индивидов в обществе, отдающих предпочтение определенному политическому субъекту (мнению). Основу постановки задачи составляет математическая модель оценки информационного воздействия на электорат при проведении выборных кампаний, которая сводится к решению стохастического дифференциального уравнения – уравнения состояния. Его исследование при составлении модели фильтрации оценок информационного воздействия предложено свести к численному решению уравнения Дункана–Мортенсена–Закаи при введении дополнительного уравнения наблюдения, которое получается из уравнения состояния при оценке его стохастических компонент (наблюдаемые интенсивности агитации от разнородных средств масс-медиа) методами полиспектрального анализа. Решение уравнения Дункана–Мортенсена–Закаи выполнено в проекционной постановке метода Галёркина при сведении к системе линейных дифференциальных уравнений и получении ее решения при дискретизации интервала анализа на подинтервалы и использования метода матричной экспоненты. Для уточнения особенностей алгоритмической реализации составленной численной схемы сформирована рекурсивная процедура численной фильтрации оценок информационного воздействия, представленная в виде псевдокода. Для наглядного сравнения результативности сформированного численного решения задачи нелинейной фильтрации оценок информационного воздействия средств масс-медиа на электорат проведены расчеты на тестовых выборках большого объема для различных значений количества политических субъектов (мнений) и числа подгрупп, на которые разделяется разнородный социум (электорат). Под результативностью решения понимается апостериорно вычисленная зависимость вероятности принятия ошибочного решения о победе политического субъекта-лидера от дисперсионных параметров нестационарных негауссовских шумов наблюдаемых интенсивностей агитации. Зависимости результативности предложенного решения сравнены с результатами непосредственного численного решения систем уравнений состояния и наблюдения.
Бесплатно
Статья
Целью исследования является получение более легковесной языковой модели, которая сравнима по показателям EM и F-меры с лучшими современными языковыми моделям в задаче нахождения ответа на вопрос в тексте на русском языке. Результаты работы могут найти применение в различных вопросно-ответных системах, для которых важно время отклика. Поскольку более легковесная модель имеет меньшее количество параметров чем оригинальная, она может быть использована на менее мощных вычислительных устройствах, в том числе и на мобильных устройствах. В настоящей работе используются методы обработки естественного языка, машинного обучения, теории искусственных нейронных сетей. Нейронная сеть настроена и обучена с использованием библиотек машинного обучения Torch и Hugging face. В работе было проведено обучение модели DistilBERT на наборе данных SberQUAD с применением дистилляции и без. Произведено сравнение работы полученных моделей.Обученная в ходе дистилляции модель DistilBERT (EM 58,57 и F-мера 78,42) смогла опередить результаты более крупной генеративной сети ruGPT-3-medium (EM 57,60 и F-мера 77,73) притом, что ruGPT-3-medium имеет в 6,5 раз больше параметров. Также модель продемонстрировала лучшие показатели EM и F-мера, чем та же модель, но к которой применялось только обычное дообучение без дистилляции (EM 55,65, F-мера 76,51). К сожалению, полученная модель сильнее отстаёт от более крупной дискриминационной модели ruBERT (EM 66,83, F-мера 84,95), которая имеет в 3,2 раза больше параметров. Предложены направления для дальнейшего исследования.
Бесплатно
Эмпирический подход к оценке помехоустойчивости сигналов фазовой модуляции
Статья
Высокая спектральная эффективность сигналов с непрерывной фазовой модуляцией определила их известность и активное применение в различных радиотехнических проектах. Уникальность свойств таких сигналов связана с сохранением непрерывности их фазы при смене информационных посылок на длительности символа. Вместе с тем до недавнего времени из всего широкого класса сигналов с непрерывной фазовой модуляцией наибольшее распространение получили различные вариации так называемых сигналов частотной модуляцией с минимальным сдвигом. Однако это далеко не единственные представители класса сигналов с непрерывной фазовой модуляцией, обладающие свойством высокой спектральной компактности. Исследованы не менее интересные сигналы этого класса, формируемые посредством двойной фазовой модуляции. Представлены аналитические выражения их синтеза, обоснована их принадлежность к классу сигналов с непрерывной фазовой модуляцией. Также исследованы временные свойства фазовой функции, рекомендованной МСЭ-R SM.328-11 для синтеза сигналов с непрерывной фазовой модуляцией, приведены временные и частотные фрагменты сигналов с минимальным сдвигом в сравнении сигналами с двоичной фазовой манипуляцией. Представлены этапы аналитического вывода модели помехоустойчивости сигналов с непрерывной фазовой модуляцией по показателю вероятности битовой ошибки на основе эмпирического подхода. Показана общность полученной модели с известным выражением для сигналов с минимальным сдвигом путем исследования разностной функции ошибки аппроксимации (ошибка порядка 10-3), что позволило получить более компактное представление разработанной модели применительно к сигналам с двойной фазовой модуляцией. Доказано, что такие сигналы обладают более высокими свойствами помехоустойчивости по отношению к сигналам с минимальным сдвигом (порядка 0,5 дБ по уровню ошибки 10-5). Указанный результат получен на основе исследования функций различия, определяемых разностью между сигнальными символами соответствующих информационным значениям «1» и «0». Определены направления дальнейшего исследования.
Бесплатно
Статья
В работе представлена эффективная реализация банка гамматон-фильтров (БГФ) на основе неравнополосного косинусно-модулированного банка фильтров (НКМБФ), использующего фазовое преобразование. Рассмотрены примеры практических задач, в которых применяется банк гамматон-фильтров, проанализированы его основные особенности и недостатки. Приведено описание равнополосного косинусно-модулированного банка фильтров, а также показан процесс синтеза НКМБФ из его равнополосного аналога при помощи фазового преобразования. Разработан оптимизационный метод проектирования фильтра-прототипа НКМБФ для аппроксимации частотных характеристик БГФ. В основе метода лежит мультипликативная модель импульсной характеристики фильтра-прототипа, использующая логистические сигмоидальные функции. Суть предлагаемого метода заключается в оптимизации фильтра-прототипа с целью минимизации среднеквадратичной ошибки между АЧХ БГФи НКМБФ для каждого канала. Выполнена программная реализация на языке Python с использованием библиотеки PyTorch. Проведены экспериментальные исследования предложенного метода. Результаты экспериментов показали, что НКМБФ можно использовать для аппроксимации частотных характеристик БГФ, а результирующая АЧХ имеет монотонные спады за счёт использования логистических сигмоидальных функций. Проведён анализ зависимости результирующей ошибки аппроксимации частотных характеристик банка гамматон-фильтров от количества сигмоид, используемых для синтеза фильтра-прототипа НКМБФ на базе мультипликативной модели импульсной характеристики. Выполнен анализ вычислительной сложности НКМБФ, показано как зависит число операций сложения и умножения от длины импульсной характеристики фильтра-прототипа и числа каналов банка фильтров. Сделан вывод, что использование НКМБФ для реализации банка гамматон-фильтров позволяет существенно уменьшить вычислительные затраты на реализацию гамматон-фильтров по сравнению с прямой реализацией.
Бесплатно
Статья
В статье представлены описание коллаборативного робота (кобота) как одного из подвидов интеллектуальной робототехники и его отличительные особенности по сравнению с другими видами роботов. Дано описание коллаборативной робототехнической системы как единой комплексной системы, в которой субъекты (акторы) различного типа – коботы и люди – выполняют действия в рамках коллаборации для достижения единой цели. Для коллаборативной робототехнической системы как единой комплексной системы представлены ее составные части, а также процессы и сущности, которые оказывают непосредственное влияние на эту систему. Представлены ключевые принципы коллаборации человека и робота (Human-Robot Collaboration). Коллаборативная робототехническая система проанализирована, с одной стороны, как многоагентная система, и, с другой стороны, как смешанная неоднородная команда, члены которой являются гетерогенными акторами. Актуальность работы заключается в недостаточном уровне исследованности вопроса формирования смешанных неоднородных команд из людей и коботов и распределения задач в них с учетом специфики этих двух типов участников и требований их безопасного взаимодействия. Целью работы является исследование вопросов формирования смешанных команд из числа элементов единой комплексной системы человек-кобот, распределения задач среди участников подобных команд с учетом необходимости минимизации затрат для ее участников и гетерогенности ее состава. В рамках исследования представлена постановка задачи формирования смешанной неоднородной команды из числа людей и коботов и распределения работ между членами команды, а также ее математическое описание. Рассматриваются частные случаи задачи, в том числе при различных функциях затрат у разных видов участников, в случае ограниченной активности членов команды, при наличии зависимости функции затрат участников одного типа от числа назначенных на этот вид работ участников другого типа, а также в случае наличия произвольного количества видов работ, назначаемых участникам смешанной команды.
Бесплатно
Статья
Эта статья фокусируется на том, чтобы уловить смысл значения текстовых функций понимания естественного языка (NLU) для обнаружения дубликатов неконтролируемых признаков. Особенности NLU сравниваются с лексическими подходами для доказательства подходящей методики классификации. Подход трансфертного обучения используется для обучения извлечению признаков в задаче семантического текстового сходства (STS). Все функции оцениваются с помощью двух типов наборов данных, которые принадлежат отчетам об ошибках Bosch и статьям Википедии. Цель данного исследованияструктурировать последние исследовательские усилия путем сравнения концепций NLU для описания семантики текста и применения их к IR. Основным вкладом данной работы является сравнительное исследование измерений семантического сходства. Экспериментальные результаты демонстрируют результаты функции Term Frequency–Inverse Document Frequency (TF-IDF) для обоих наборов данных с разумным объемом словаря. Это указывает на то, что двунаправленная долговременная кратковременная память (BiLSTM) может изучать структуру предложения для улучшения классификации.
Бесплатно
Статья
Планирование движения для мобильных роботов и беспилотных автомобилей является одной из ключевых задач современной робототехники. Основная её сложность заключается в необходимости учёта кинематических ограничений, таких как гладкость траектории и ограничения на минимальный радиус поворота. Одним из наиболее часто используемых подходов к решению этой задачи является построение траектории из набора заранее сгенерированных, кинематически-согласованных фрагментов, называемых примитивами движения. Робастность и скорость генерации этих примитивов напрямую определяют эффективность всего процесса планирования. В данной работе предлагается новый метод генерации примитивов движения для систем с кинематикой велосипедного типа. Метод основан на представлении траектории в виде кривой с полиномиальной функцией кривизны, а задача генерации примитива, соединяющего два заданных состояния (положение, ориентация, кривизна), сводится к решению системы нелинейных уравнений методом Ньютона. В отличие от существующих подходов, использующих коэффициенты полинома в качестве параметров, применяется новая репараметризация, основанная на значениях кривизны в ключевых точках траектории. Такая параметризация позволяет улучшить сходимость и устойчивость численного метода поиска решения, что демонстрируют проведённые эксперименты.
Бесплатно
