Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН) @ia-spcras
Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 287
Аудиокодек на основе перцептуального равенства исходного и восстановленного звукового сигнала
Статья
Представлен метод сжатия аудиоданных с потерями (аудиокодек), позволяющий улучшить объективное качества восстановленного аудиосигнала на 25% для битрейта 390 кбит/с и 55% для битрейта 64кбит/с по сравнению с форматом AAC MPEG-4. Предлагаемый метод сжатия аудиоданных, базируется на развитии положений теории сжатия аудиоданных с потерями (ТСАП). Повышение объективного качества восстановленного звукового сигнала (по стандартизованной мере PEAQ) достигается за счет того, что ТСАП устраняет несовершенства современных методов сжатия аудиоданных с потерями в части использования психоакустических принципов восприятия звука человеком, в том числе после преодоления «психоакустического предела сжатия» аудиосигнала (т.е. момента в перцептуальном кодировании, когда имеющегося бюджета бит недостаточно для кодирования всех спектральных компонент с необходимой с точки зрения психоакустики точностью), и позволяет достичь перцептуального равенства восприятия исходного и восстановленного аудиосигналов. В качестве анализа состояния вопроса рассмотрены решения по сжатию аудиоданных без потерь и с потерями, а также с использованием искусственного интеллекта. Во всех современных методах сжатия аудиоданных с потерями процедура выбора спектральных компонент, которые необходимо сохранить, а также допустимой погрешности квантования их по уровню выполняется путем ряда достаточно сложных процедур, носящих общее название «психоакустическая модель метода сжатия аудиоданных с потерями». В строгом смысле, перцептуальное равенство спектров исходного и восстановленного сигналов ни одна из групп исследователей не доказала и как следствие – не может его гарантировать. Независимые эксперты регулярно публикуют тесты, показывающие, что современные аудиокодеки имеют проблемы на ряде сигналов. В статье предложен аудиокодек на основе перцептуального равенства исходного и восстановленного звукового сигнала, который базируется на новых идеях теории сжатия аудиоданных с потерями (ТСАП). Эти идеи гарантируют достижение перцептуального равенства восприятия исходного и восстановленного аудиосигналов на различных битовых скоростях, поэтому построенный на ее основе аудиокодек свободен от указанных выше недостатков и, как следствие, существенно превосходит современные кодеки в смысле объективного качества восстановленного аудиосигнала по мере PEAQ.
Бесплатно
Балансовая модель эпидемии COVID-19 на основе процентного прироста
Статья
В статье изучается возможность использования альтернативного подхода к прогнозированию статистических показателей эпидемии вируса нового типа. Представлен систематический обзор моделей прогнозирования эпидемий новых инфекций в зарубежной и российской научной литературе. Анализируется точность модели SIR при прогнозировании весенней волны эпидемии COVID-19 в России. В качестве альтернативного подхода к моделированию эпидемии предлагается использование вместо традиционной модели SIR новой дискретной стохастической модели распространения эпидемии CIR, основанной на балансе показателей эпидемии в текущий и прошлые моменты времени. Новая модель описывает динамику общего количества заболевших (С), общего количества выздоровевших и умерших (R) и числа активных случаев (I). Параметрами системы являются процентный прирост величины C(t) и характеристика динамического баланса эпидемиологического процесса, впервые введенная в этой статье. Сформулирован принцип динамического баланса эпидемиологического процесса, предполагающий наличие у любого процесса свойства близости значений общего количества заболевших в прошлые периоды и значений общего количества выздоровевших и умерших в текущий момент времени. Для вычисления значений характеристики динамического баланса используется задача целочисленного программирования. Продемонстрировано, что в общем случае динамическая характеристика эпидемиологического процесса не является постоянной величиной. Эпидемиологический процесс, динамическая характеристика которого не является постоянной величиной, называется нестационарным. Для построения среднесрочных прогнозов показателей эпидемиологического процесса на промежутках стационарности эпидемиологического процесса разработан специальный алгоритм. Исследован вопрос об использовании этого алгоритма на промежутках стационарности и нестационарности. Приведены примеры применения модели CIR для построения прогнозов рассматриваемых показателей эпидемии в России в мае-июне 2020 года.
Бесплатно
Безопасность протокола поиска и верификации в многомерном блокчейне
Статья
Проблема безопасного обмена информацией и проведения транзакций между устойчивыми распределенными реестрами является одной из наиболее актуальных в сфере проектирования и построения децентрализованных технологий. До настоящего времени были предложены подходы, ориентированные на ускорение проверки цепочки блоков для верификации транзакций в соседних блокчейнах. При этом проблема поиска ранее не затрагивалась. В работе рассмотрен вопрос безопасности обмена данными между самостоятельными устойчивыми распределенными реестрами в рамках многомерного блокчейна. Описаны принципы и основные этапы работы протокола, а также базовые требования, предъявляемые к нему. Предложены способы построения протокола обмена сообщениями для верификации внешних транзакций: централизованный подход, принцип подмножества и стойкий SVP. Доказана эквивалентность централизованного подхода идеальному функционалу поиска и верификации в GUC-моделях. Показана вероятность успешной верификации в случае использования подхода, основанного на подмножествах, при применении полного графа сети или эквивалентного подхода с полным графом между родительским и дочерним блокчейнами. Доказана небезопасность случая со связью 1 к 1 между родительским и дочерним реестром, а также небезопасность подхода, основанного на подмножестве узлов родительского и дочернего реестров. Предложен стойкий протокол поиска и верификации блоков и транзакций, основанный на свойствах стойкости устойчивых распределенных реестров. В значительной степени вероятность атаки определяется вероятностью атаки на процесс верификации, а не на процесс поиска. При необходимости защиты от атакующих, контролирующих до половины узлов в сети, предложен метод комбинации подходов для поиска и верификации блоков и транзакций.
Бесплатно
Бесстрессовый алгоритм управления беговыми платформами на основе нейросетевых технологий
Статья
В статье рассматривается задача прогнозирования скорости человека с использованием нейросетевых технологий и компьютерного зрения для минимизации запаздывания в системах управления беговыми платформами, приводящего к риску для здоровья пользователя. Для ее решения разработан бесстрессовый алгоритм, включающий прогнозирование положения и скорости пользователя на беговой платформе, включающий процедуру расчета скорости беговой платформы на основе анализа положения и характера движения пользователя, схему сбора и обработки данных для обучения нейросетевых методов, процедуру определения необходимого количества прогнозируемых кадров для устранения запаздывания. Научная новизна исследования состоит в разработке алгоритма управления беговыми платформами, объединяющего технологии компьютерного зрения для распознавания модели тела пользователя платформы, нейронные сети и методы машинного обучения для определения итоговой скорости человека на основе объединения данных о положении человека в кадре, текущей и прогнозируемой скорости человека. Предложенный алгоритм реализован с использованием библиотек Python, проведена его апробация в ходе экспериментальных исследований при анализе предшествующих 10 и 15 кадров для прогнозирования 10 и 15 следующих кадров. В результате сравнения алгоритмов машинного обучения (линейная регрессия, дерево решений, случайный лес, многослойные, сверточные и рекуррентные нейронные сети) при различных величинах длин анализируемых и прогнозируемых кадров наилучшую точность при прогнозировании положения показал алгоритм RandomForestRegressor, а при определении текущей скорости – плотные многослойные нейронные сети. Проведены экспериментальные исследования по применению разработанного алгоритма и моделей для определения скорости человека (при прогнозе в диапазоне 10-15 кадров получена точность более 90%), а также по их интеграции в систему управления беговой платформой. Испытания показали работоспособность предложенного подхода и корректность работы системы в реальных условиях. Разработанный алгоритм позволяет не использовать чувствительные к помехам датчики, требующие закрепления на теле человека, а прогнозировать действия пользователя за счет анализа всех точек тела человека для снижения запаздывания в различных человеко-машинных системах.
Бесплатно
Статья
Целью данного исследования является определение связи энтропии временных параметров сигналов в робастной системе управления с величиной дискретизации системного времени (в развитие работ trspy 1185, trspy 1274). В качестве примера объекта исследования рассмотрен процесс и его сигналы экстренного торможения высокоскоростного состава при наличии скольжения колёс по рельсам. Решена задача нахождения абсолютной погрешности ступенчатой и линейной интерполяции сигнала управления по равномерным выборкам из него с применением моделей составных гармонических полуволн. Предварительно, при обследовании объекта управления, определяются максимальные величины параметров сигнала и полуволн: скорость, ускорение и резкость. Параметры спектра отсутствуют по причине большой инерционности объектов управления, процессов и сигналов. Для определения величин интервалов равномерной дискретизации времени рассмотрены две группы моделей «гармонических полуволн». Первая группа моделей описывается гармоническими функциями времени, параметры которых согласованы. Вторая группа моделей описывается составными гармоническими функциями времени, тем самым согласуются временные параметры сигналов. Доказано, что при увеличении энтропии максимальных величин параметров сигналов увеличивается величина интервала дискретизации времени без увеличения погрешности интерполяции. Таким образом, величина энтропии параметров сигналов служит индикатором их рассогласованности. Приведены результаты моделирования и графики, полученные в среде математического пакета MathCAD. Результаты предназначены для оптимизации загрузки задачами ввода и первичной обработки информации процессоров в робастных системах автоматики реального времени, например, используемых для управления высокоскоростными поездами при штатном экстренном торможении и экстренном торможении в условиях скольжения или юза.
Бесплатно
Статья
Предлагается новый быстрый метод регистрации движения глаз в режиме реального времени на основе исследования гранично-ступенчатой модели полутонового изображения оператором Лапласиан – Гауссиана и нахождения нового предложенного дескриптора накопленных разностей (идентификатора точек), который отображает меру равноудаленности каждой точки от границ некоторой относительно монотонной области (например, зрачок глаза). Работа данного дескриптора исходит из предположения о том, что зрачок в кадре является наиболее округлой монотонной областью, имеющей высокий перепад яркости на границе, пиксели области должны иметь интенсивность меньше заранее заданного порога (но при этом зрачок может не являться самой темной областью на изображении). Учитывая все вышеперечисленные характеристики зрачка, дескриптор позволяет достичь высокой точности детектирования его центра и размера в отличии от методов, основанных на пороговой сегментации изображения, опирающихся на предположение о зрачке как наиболее темной области, морфологических методов (рекурсивная морфологическая эрозия), корреляционных или методов, исследующих только граничную модель изображения (преобразование Хафа и его вариации с двумерным и трехмерным пространствами параметров, алгоритм Starburst, Swirski, RANSAC, ElSe). Исследована возможность представления задачи трекинга зрачка как задачи многомерной оптимизации и ее решение неградиентным методом Хука –Дживса, где в качестве целевой функции выступает функция, выражающая дескриптор. При этом отпадает необходимость в вычислении дескриптора каждой точки изображения (составления специальной аккумуляторной функции), что значительно ускоряет работу метода. Проведен анализ предложенных дескриптора и метода, а также разработан программный комплекс на языке Python 3 (визуализация) и C++ (ядро трекинга) в лаборатории физико-математического факультета Камчатского государственного университета им. Витуса Беринга, позволяющий иллюстрировать работу метода и осуществлять трекинг зрачка в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья
В статье решается задача верификации разливов нефти на водных поверхностях рек, морей и океанов по оптическим аэрофотоснимкам с использованием методов глубокого обучения. Особенностью данной задачи является наличие визуально похожих на разливы нефти областей на водных поверхностях, вызванных цветением водорослей, веществ, не приносящих экологический ущерб (например, пальмовое масло), бликов при съемке или природных явлений (так называемые «двойники»). Многие исследования в данной области основаны на анализе изображений, полученных от радаров с синтезированной апертурой (Synthetic Aperture Radar (SAR) images), которые не обеспечивают точной классификации и сегментации. Последующая верификация способствует сокращению экологического и материального ущерба, а мониторинг размеров площади нефтяного пятна используется для принятия дальнейших решений по устранению последствий. Предлагается новый подход к верификации оптических снимков как задачи бинарной классификации на основе сиамской сети, когда фрагмент исходного изображения многократно сравнивается с репрезентативными примерами из класса нефтяных пятен на водных поверхностях. Основой сиамской сети служит облегченная сеть VGG16. При превышении порогового значения выходной функции принимается решение о наличии разлива нефти. Для обучения сети был собран и размечен собственный набор данных из открытых интернет-ресурсов. Существенной проблемой является несбалансированность выборки данных по классам, что потребовало применения методов аугментации, основанных не только на геометрических и цветовых манипуляциях, но и на основе генеративной состязательной сети (Generative Adversarial Network, GAN). Эксперименты показали, что точность классификации разливов нефти и «двойников» на тестовой выборке достигает значений 0,91 и 0,834 соответственно. Далее решается дополнительная задача семантической сегментации нефтяного пятна с применением сверточных нейронных сетей (СНС) типа кодировщик-декодировщик. Для сегментации исследовались три архитектуры глубоких сетей, а именно U-Net, SegNet и Poly-YOLOv3. Лучшие результаты показала сеть Poly-YOLOv3, достигнув точности 0,97 при среднем времени обработки снимка 385 с веб-сервисом Google Colab. Также была спроектирована база данных для хранения исходных и верифицированных изображений с проблемными областями.
Бесплатно
Статья
Переход к автоматизированным системам регулирования на неохраняемых железнодорожных переездах обусловил необходимость решения вопросов их безопасности. Наиболее рациональным решением указанной проблемы является применение систем видеонаблюдения, обеспечивающих трансляцию изображений, как на железнодорожные станции, в зоне ответственности которых находятся железнодорожные переезды, так и на локомотивы подвижных составов. С этой целью активно используют системы передачи информации, организованные на основе сетей широкополосного доступа и LTE. Но поскольку работа таких сетей организуется вдоль железнодорожных путей, в том числе в условиях активного применения различных излучающих средств, то для них характерном является нарушение условий электромагнитной совместимости, приводящее к сбою работы в результате непреднамеренного блокирования отдельных каналов. Поэтому анализ условий, при которых наступает сбой работы сети передачи видео, а также прогнозный расчет параметров радиолиний, при которых обеспечивается заданный уровень устойчивости работы сети, является актуальными. Рассмотрены технологии и особенности работы сетей стандарта LTE. Обоснованы показатели и критерии оценки функционирования линий передачи видео в рамках технических возможностей стандарта. Проведена математическая постановка задачи исследования. Определены исходные данные для разработки аналитической модели вероятностной оценки функционирования сети передачи видео. Разработан аналитический аппарат расчета вероятности блокирования каналов, учитывающий взаимную интенсивность использования частотного трафика конфликтующими средствами. Проанализированы требования ГОСТ Р 53111-2008, определяющего условиях, при которых обеспечивается устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Получено выражение вероятностной оценки, характеризующее вероятность нарушения (блокирования) работы сети, определяемой как канальными шумами и замираниями, так и помехами непреднамеренного характера от сторонних источников радиоизлучений при нарушении условий их электромагнитной совместимости. Представлены результаты аналитического моделирования, раскрывающие условия, при которых обеспечивается успешное функционирование сети передачи результатов видеонаблюдения. Обосновано, что работа сетей передачи видео в условиях взаимных помех при нарушении требований по электромагнитной совместимости, более чувствительна к изменению отношения значений интенсивностей потоков сети и источников сторонних излучений, работающих в режиме с программной перестройкой рабочей частоты, чем к энергетическим соотношениям полезного и мешающего сигналов.
Бесплатно
Статья
В работе рассмотрена задача анализа безопасного сеанса на физическом уровне беспроводной системы связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала и наличия канала утечки информации. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала Beaulieu-Xie с затенениями. Для описания безопасности процесса передачи информации использовалась такая метрика, как вероятность прерывания безопасного сеанса связи. В рамках исследования было получено аналитическое выражение вероятности прерывания связи. Проведён анализ её поведения в зависимости от характеристик канала и системы связи: среднего значения отношения сигнал-шум в основном канале и канале утечки, эффективного значение показателя потерь на пути распространения сигнала, относительного расстояния между законным приемником и прослушивающим приёмником и пороговой пропускной способности, нормированной на пропускную способность гладкого гауссова канала. Рассмотрены совокупности параметров, которые покрывают важные сценарии функционирования беспроводных систем связи. К ним относятся как глубокие замирания (отвечающие гиперрэлеевскому сценарию), так и малые замирания. Учитываются условия наличия существенной по величине компоненты прямой видимости и значительного количества многопутевых кластеров, затенения доминантной компоненты и многопутевость волн, а также всевозможные промежуточные варианты. Обнаружено, что величина энергетического потенциала, необходимого для гарантированной безопасной связи с заданной скоростью, определяется в первую очередь мощностью многопутевых компонент, а также наличие неснижаемой вероятности прерывания безопасного сеанса связи с ростом для каналов с сильным общим затенением компонент сигнала, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величинам отношения сигнал/шум и скорости передачи данных в прямом канале, обеспечивающим желаемую степень безопасности беспроводного сеанса связи.
Бесплатно
Статья
Рассмотрена задача анализа характеристик процесса передачи информации многоэлементными системами связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала κ–μ с коррелированными затенениями, а в качестве используемой технологии организации многоэлементной системы – SIMO система, использующая дифференциально-взвешенное комбинирование сигнала на приёмной стороне. Для описания характеристик процесса передачи информации использовался подход на основе статистик высшего порядка эргодической пропускной способности. В рамках исследования были получены аналитические выражения для статистик произвольного порядка для рассматриваемой модели канала. Проведён анализ поведения первых четырёх статистик (эргодической пропускной способности, величины надёжности, коэффициентов асимметрии и эксцесса) в зависимости от характеристик канала (количества многопутевых кластеров распространения, доли мощности, приходящейся на доминантные компоненты, степени затенения доминантных компонент и коэффициента корреляции затенений). В рамках исследования были рассмотрены 4 ситуации поведения исследуемой модели канала, существенно различающиеся по своим свойствам. Отмечено, что в отличие от пропускной способности, статистики высшего порядка оказываются существенно более чувствительными к параметрам канала и, как следствие, являются более значимыми индикаторами флуктуации скорости передачи информации в канале связи. Обнаружено наличие ярко выраженного экстремума (минимума) зависимости надёжности эргодической пропускной способности от среднего соотношения сигнал/шум, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величине отношения сигнал/шум в канале, обеспечивающей желаемое качество функционирования системы связи.
Бесплатно
Взаимное влияние интеллектуального капитала и информационных технологий управления
Статья
На сегодняшний день существует общее представление об интеллектуальном капитале, разработаны различные подходы к его измерению на микро- и макроуровне. Разработаны методы патентной аналитики для анализа технологических трендов. На концептуальном уровне известно, что существует взаимовлияние интеллектуального капитала и технологических трендов, но отсутствуют методические разработки для количественного оценивания такого влияния с использованием данных из различных источников. Цель исследования заключается в количественном оценивании взаимного влияния национального интеллектуального капитала и современных информационных технологий управления на макроуровне. Рассмотрены математические основания разделения компонентов интеллектуального капитала и технологий. Подтверждена гипотеза о статистической значимости взаимовлияния интеллектуального капитала и информационных технологий управления. Определена регрессионная зависимость, которая достаточно хорошо аппроксимируется линейной регрессией индекса интеллектуального капитала от логарифма индекса патентной активности страны в области IT-методов управления, что может быть интерпретировано как замедление роста индекса интеллектуального капитала при достижении определенного уровня патентной активности. Установлено, что чем более развита экономика, тем выше в ней уровень интеллектуального капитала и выше уровень распространения IT-методов управления. Явными исключениями из этой закономерности являются Китай и Индия. Китай, который относится к странам с доходом выше среднего уровня, демонстрируют более высокие, чем страны его уровня экономического развития, взаимосвязанные значения индекса интеллектуального капитала и распространенности IT-методов управления. Индия, занимающая 3-е место среди стран с уровнем дохода ниже среднего, имеет соизмеримые показатели развития интеллектуального капитала и распространения IT-методов управления со странами с уровнем дохода выше среднего. Дальнейшие исследования могут быть связаны с проверкой гипотез о возможности выявления предложенным методом количественных зависимостей между интеллектуальным капиталом и технологическим развитием. Необходима детализация выявленных зависимостей по кодам Международной патентной классификации и составляющим интеллектуального капитала, выявление зависимостей для других технологических областей.
Бесплатно
Визуальная одометрия с коррекцией траектории на основе применения фильтра Калмана
Статья
В настоящей работе предложен метод коррекции траектории камеры в задаче монокулярной визуальной одометрии на основе фильтра Калмана. Рассмотрен подход, в котором неоднозначность масштаба разрешается не через восстановление трёхмерной структуры сцены, а через последовательное использование относительных смещений между текущим и несколькими предыдущими положениями камеры. Такой подход снижает зависимость от долговременного отслеживания одних и тех же ключевых точек и делает метод применимым в условиях ограниченного параллакса, повторяющихся текстур и частичных окклюзий. Подобное представление повышает чувствительность метода к шумам. Для компенсации этого недостатка применяется фильтр Калмана, который предотвращает накопление ошибок при последовательных оценках и обеспечивает корректность работы даже при отсутствии сведений о движении камеры, а также позволяет учитывать качество измерений и их достоверность. В рамках работы представлены модель состояния и модель наблюдений, позволяющие уточнять положение камеры, используя только данные последовательных наблюдений. Состояние формируется в виде скользящего окна из текущего и нескольких предыдущих положений камеры, а наблюдения строятся из направлений относительных смещений, оцениваемых по паре или набору кадров, без восстановления трёхмерной структуры сцены. В отличие от распространённых фильтров Калмана с ограничениями на множественные состояния системы (MSCKF), которые обычно интегрируют данные от инерциальных датчиков, предложенный метод использует исключительно информацию, извлекаемую из последовательности кадров. Эффективность метода подтверждена на синтетических данных в различных сценариях движения.
Бесплатно
Вопросы создания машинопонимаемых SMART-стандартов на основе графов знаний
Статья
Развитие цифровой трансформации требует широкого использования новых технологий в документах по стандартизации. Одной из задач является создание стандартов с машинопонимаемым содержанием, которые позволят использовать цифровые документы на различных этапах разработки и производства без необходимости участия человека-оператора. Целью данной работы является описание подхода для создания и перевода в машинопонимаемое представление нормативных документов отрасли для дальнейшего их использования в программных сервисах и системах. Содержимое SMART-стандарта бывает трех видов: машиночитаемое, машиноинтерпретируемое и машинопонимаемое. Для формализации данных и знаний при решении различных задач активно используются графы знаний. Предложен новый двухуровневый подход для создания и перевода в машинопонимаемое представление нормативных документов как графов знаний. Подход определяет два вида интерпретации такого документа (человекочитаемость и машинопонимаемость) через два связанных формата: граф, каждый семантический узел которого представляет текст на естественном языке, и сеть понятий и строгих связей. Каждому узлу «человекочитаемого» графа соответствует (в общем случае) поддерево машинопонимаемого графа знаний. В качестве основы для обеспечения преобразования одной формы представления SMART-стандарта в другую форму служат LLM модели, дополняемые специализированным адаптером, полученным в результате дообучения с помощью подхода Parameter-Efficient Fine-Tuning. Установлены требования к набору проблемно- и предметно-ориентированных инструментальных средств формирования графов знаний. Показана концептуальная архитектура системы поддержки решения комплекса задач на основе SMART-документов в виде графов, установлены принципы реализации программных компонентов, работающих со знаниями, для интеллектуальных программных сервисов.
Бесплатно
Восстановление аэрофотоснимков сверхвысокого разрешения с учетом семантических особенностей
Статья
В настоящее время происходит активное развитие технологий обработки изображений дистанционного зондирования, включающих как спутниковые снимки, так и аэрофотоснимки, полученные от видеокамер беспилотных летательных аппаратов. Зачастую такие снимки имеют артефакты, связанные с низким разрешением, размытостью фрагментов изображения, наличием шумов и т.д. Одним из способов преодоления таких ограничений является применение современных технологий для восстановления снимков сверхвысокого разрешения на основе методов глубокого обучения. Особенностью аэрофотоснимков является представление текстуры и структурных элементов более высокого разрешения, чем на спутниковых снимках, что объективно способствует лучшим результатам восстановления. В статье приводится классификация методов сверхвысокого разрешения с учетом основных архитектур глубоких нейронных сетей, а именно сверточных нейронных сетей, визуальных трансформеров и генеративно-состязательных сетей. В статье предлагается метод восстановления аэрофотоснимков сверхвысокого разрешения с учетом семантических особенностей SemESRGAN за счет использования на этапе обучения дополнительной глубокой сети для семантической сегментации. При этом минимизируется общая функция потерь, включающая состязательные потери, потери на уровне пикселов и потери воспирятия (сходства признаков). Для экспериментов использовались шесть наборов аннотированных аэрофотоснимков и спутниковых снимков CLCD, DOTA, LEVIR-CD, UAVid, AAD и AID. Было выполнено сравнение результатов восстановления изображений предложенным методом SemESRGAN с базовыми архитектурами сверточных нейронных сетей, визуальных трансформеров и генеративно-состязательных сетей. Получены сравнительные результаты восстановления изображений с применением объективных метрик PSNR и SSIM, что позволило оценить качество восстановления с использованием различных моделей глубоких сетей.
Бесплатно
Статья
В статье рассмотрена разработка математического и алгоритмического обеспечения для восстановления отсчетов на проблемных участках дискретной последовательности непрерывного сигнала. Цель работы состояла в том, чтобы обеспечить восстановление утраченных отсчетов или участков отсчетов с непостоянной искаженной временной сеткой при осуществлении дискретизации сигнала с равномерным шагом и одновременно обеспечить снижение вычислительной сложности цифровых алгоритмов восстановления. Решение поставленной задачи осуществлено на основе метода локальной аппроксимации. Спецификой применения этого метода стало использование двух подпоследовательностей отсчетов, расположенных симметрично по отношению к восстанавливаемому участку последовательности. В качестве аппроксимирующей модели используется ряд Фурье по ортогональной системе тригонометрических функций. Оптимальное решение задачи аппроксимации основано на критерии минимума квадратичной погрешности. Для данного вида погрешности получены математические соотношения. Они позволяют оценить ее значение в зависимости от порядка модели и числа отсчетов подпоследовательностей, по которым осуществляется процедура восстановления. Особенность полученных в настоящей работе математических соотношений для восстановления сигнала заключается в том, что они не требуют предварительного вычисления коэффициентов ряда Фурье. Они обеспечивают непосредственно вычисление значений восстанавливаемых отсчетов. При этом в случае выбора четного числа отсчетов в подпоследовательностях, используемых для восстановления, не требуется выполнять операции умножения. Всё это обеспечило снижение вычислительной сложности разработанного алгоритма для восстановления сигнала. Экспериментальные исследования алгоритма осуществлялись на основе имитационного моделирования с использованием модели сигнала, представляющей собой аддитивную сумму гармонических компонент со случайной начальной фазой. Численные эксперименты показали, что разработанный алгоритм обеспечивает результат восстановления отсчетов сигнала с достаточно низкой погрешностью. Алгоритм реализован в виде программного модуля. Работа модуля осуществляется на основе асинхронного управления процессом восстановления отсчетов. Он может быть применен в составе метрологически значимого программного обеспечения систем цифровой обработки сигналов.
Бесплатно
Статья
В статье рассмотрена разработка математического обеспечения для восстановления значений отсчетов дискретной последовательности, которая была получена в результате равномерной дискретизации непрерывного во времени сигнала. Задача восстановления решается исходя из того, что сигнал можно рассматривать как стационарный или стационарный хотя бы в широком смысле (квазистационарный). Разработка математического обеспечения для восстановления значений отсчетов сигнала осуществлена на основе построения модели скользящего среднего и оценки корреляционной связи отсчетов сигнала во времени при прямом и обратном прогнозировании. Необходимая для восстановления значений отсчетов выборка оценок корреляционной функции сигнала вычисляется по отсчетам с известными значениями. С учетом выполнения условия стационарности сигнала это можно сделать на любом участке последовательности независимо от места нахождения восстанавливаемого участка. Полученные оценки отсчетов корреляционной функции могут использоваться как для прямого, так и для обратного прогнозирования. При этом даже если необходимо восстановить несколько проблемных участков, достаточно только один раз вычислить необходимую для их восстановления выборку оценок корреляционной функции. На основе полученного математического решения поставленной задачи разработано алгоритмическое обеспечение. Тестовые испытания и функциональные проверки алгоритмического обеспечения были осуществлены на основе имитационного моделирования с использованием модели сигнала, представляющей собой аддитивную сумму гармонических компонент со случайными начальными фазами. Полученные результаты показали, что вычисление оценок значений утраченных отсчетов осуществляется с достаточно низкой погрешностью, как при прямом, так и при обратном прогнозировании, а также при их совместном использовании. На практике выбор алгоритма восстановления последовательности на основе прямого или обратного прогнозирования будет определяться исходя из реальных условий. В частности, если предыдущих отсчетов с известными значениями недостаточно для прямого прогнозирования, то осуществляется процедура обратного прогнозирования и наоборот. Разработанное алгоритмическое обеспечение может быть реализовано в виде метрологически значимого программного обеспечения для многофункциональных систем цифровой обработки сигналов.
Бесплатно
Вычислительная технология построения каскадных моделей магнитогидродинамической турбулентности
Статья
В работе рассматривается вычислительная технология построения одного вида моделей мелкомасштабной магнитогидродинамической турбулентности – каскадных моделей (shell models). Любая такая модель является системой обыкновенных квадратично-нелинейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Каждая фазовая переменная интерпретируется по абсолютной величине как мера интенсивности одного из полей турбулентной системы в определенном диапазоне пространственных масштабов (масштабной оболочке). Уравнения любой каскадной модели должны обладать несколькими квадратичными инвариантами, которые являются аналогами законов сохранения в идеальной магнитогидродинамике. Вывод уравнений модели заключается в получении таких выражений для постоянных коэффициентов, при которых наперед заданные квадратичные выражения действительно будут инвариантами. Вывод этих выражений вручную является достаточно громоздким и вероятность ошибок в формульных преобразованиях велика. Особенно это касается нелокальных моделей, в которых могут взаимодействовать далекие по величине масштабные оболочки. Новизна и оригинальность работы состоит в том, что авторами предложена вычислительная технология, которая позволяет автоматизировать процесс вывода уравнений каскадных моделей. Технология реализована с использованием методов компьютерной алгебры, что позволило получать параметрические классы моделей, в которых инвариантность заданных квадратичных форм выполняется абсолютно точно – в формульном виде. Определение значений параметров в полученном параметрическом классе моделей далее выполняется за счет согласования мер взаимодействия оболочек в модели с вероятностями их взаимодействия в реальной физической системе. Идея описанной технологии и ее реализация принадлежит авторам. Отдельные ее элементы публиковались авторами ранее, однако в настоящей работе впервые дается ее систематическое описание для моделей с комплексными фазовыми переменными и согласованием мер взаимодействия оболочек с вероятностями. Аналогичных работ других авторов ранее не было. Технология позволяет быстро и безошибочно генерировать уравнения новых нелокальных каскадных моделей турбулентности и может быть полезна специалистам, занимающимся моделированием турбулентных систем.
Бесплатно
Статья
В области рекрутинга и менеджмента персонала существует задача автоматизации процесса оценки характеристик человеческого капитала, учитывающего в том числе особенности личности сотрудника. Статья посвящена вопросу выявления характеристик индивидуального человеческого капитала, имеющих наибольший вклад в некоторые показатели эффективности сотрудника организации, таких как карьерный успех, по данным их самоотчетов о профессиональных навыках и ответов на вопросы–утверждения о различных психологических аспектах личности. Предлагается общая структура опросного инструментария, опирающегося на самоотчеты сотрудников, а также формализация предполагаемых методов анализа таких вопросов. Для выявления групп респондентов, обладающих схожими профессиональными навыками, было предложено использовать кластерный анализ, который позволяет сохранить сложную структуру их взаимосвязи. Для выявления личностных особенностей сотрудников из вопросов–утверждений предлагается формировать шкалы и посредством методов современной теории тестирования получить оценки латентной переменной, отражающей личностные особенности. На завершающем этапе исследования предполагается использование аппарата регрессии для оценивания взаимосвязи выявленных кластеров и латентных характеристик личности с тем или иным индикатором успешности сотрудника. Предлагаемый подход представляет собой структуру пилотного исследования, позволяющего выделить характеристики человеческого капитала (профессиональные навыки и особенности личности), обладающие наибольшим вкладом в показатели эффективности сотрудника или организации, и направлен на снижение трудозатрат на последующих этапах более подробного и прицельного исследования. Возможности предложенного подхода продемонстрированы на примере данных, собранных среди государственных гражданских служащих различных структур Российской Федерации. В качестве индикатора эффективности сотрудника рассматривается наиболее доступный к наблюдению аспект карьерного успеха, выраженный фактом наличия руководящей должности.
Бесплатно
Выявление экономических сговоров метриками квантовой запутанности
Статья
Эффективность экономики обусловлена оперативностью пресечения незаконного поведения хозяйствующих субъектов. В условиях ускорения деловой активности важной частью данного условия становится выявление рыночных сговоров на основе статистики электронных следов. В статье представлено решение этой задачи на основе кванто-теоретического подхода к моделированию принятия решений. А именно, когнитивные состояния субъектов представляются комплекснозначными векторами в пространстве, образованном базисными поведенческими альтернативами, тогда как вероятности принятия решений определяются проекциями этих состояний на соответствующие направления. Согласованность многостороннего поведения при этом соответствует запутанности порождающего когнитивного состояния, степень которой измеряется стандартными квантово-теоретическими метриками. Высокое значение метрики свидетельствует о вероятном наличии сговора между рассматриваемыми субъектами. Полученный таким образом метод выявления поведенческой координации апробирован на открытых данных об участии юридических лиц в государственных закупках за период с 2015 по 2020 годы, доступных на федеральном портале https://zakupki.gov.ru. Для использованной выборки построены квантовые модели примерно 80 тысяч уникальных пар и 10 миллионов уникальных троек ИНН. Достоверность выявления сговоров определялась сравнением подозреваемых с открытыми данными Федеральной антимонопольной службы https://br.fas.gov.ru. Согласно полученным функциям ошибок, половина известных парных сговоров выявляется с достоверностью более 50%, что сравнимо с методами выявления на основе классической корреляции и классической взаимной информации. В трёхстороннем случае, напротив, квантовая модель оказывается практически безальтернативной в силу ограниченности классических метрик двусторонней корреляцией. Половина таких сговоров выявляется с достоверностью 40%. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности квантово-вероятностного подхода к моделированию многостороннего экономического поведения. Разработанные метрики могут быть использованы в качестве информативных признаков для аналитических систем и алгоритмов машинного обучения подобной направленности.
Бесплатно
Генерация данных для моделирования атак на БПЛА с целью тестирования систем обнаружения вторжений
Статья
На сегодняшний день вопросы, связанные с обеспечением безопасности БПЛА, весьма актуальны. Исследователям необходимо разрабатывать новые методы защиты для своевременного обнаружения атаки и реализации мер по смягчению ее последствий. В работе авторы предлагают новую концепцию обнаружения атак «изнутри» БПЛА. Идея состоит в анализе киберфизических параметров БПЛА, которые могут указывать на атаку и ее возможные последствия. Было определено, что для обнаружения атаки и определения последствий, к которым она может привести, необходимо контролировать не только исходные параметры, но и внутренние кибер-физические параметры БПЛА. Это позволит спрогнозировать возможные последствия нападения и принять экстренные меры. Проработана схема влияния атаки на БПЛА и взаимосвязь с инцидентами безопасности, построенная с использованием онтологического подхода. Рассмотрены две основные сущности БПЛА - физические и цифровые аспекты БПЛА. Также показаны примеры цепочек атак, приводящие к различным последствиям. В обзорной части выполнен анализ методов и алгоритмов обнаружения спуфинговых атак с использованием генераторов данных, на основании которого сделаны выводы об их достоинствах и недостатках. Далее, на основании проведенных экспериментов, авторы предлагают метод оценки качества данных и метод генерации аномальных наборов данных, похожих на реальные данные об атаках, которые могут применяться для разработки и тестирования методов обнаружения и блокирования атак. Описана архитектура экспериментального стенда, который был использован в рамках натурного моделирования. На данном стенде, предназначенном для разбора атак с подменой GPS (GPS-спуфинг), проходила отработка нескольких сценариев нормального полета, а затем нескольких сценариев атаки. По результатам проведенных экспериментов был предложен метод, позволяющий имитировать данные, соответствующие атаке, с требуемой точностью. Также был предложен метод оценки качества сгенерированных данных.
Бесплатно
