Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН) @ia-spcras
Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 346
Метод структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта
Статья
Сложность современных объектов с перестраиваемой структурой приводит к необходимости учета различных факторов взаимодействия их с окружающей средой и связана с увеличением числа входящих в их состав элементов и подсистем, а также, соответственно, стремительным ростом числа внутренних связей, и проявляется в таких аспектах, как структурная сложность, сложность функционирования, сложность выбора поведения, сложность моделирования и сложность развития. Данные системы функционируют в условиях существенной неопределённости, связанной с изменением содержания целей и задач, стоящих перед объектом, воздействием возмущающих факторов со стороны внешней среды и имеющих целенаправленный и/или нецеленаправленный характер. Указанные аспекты сложности системы связаны не только с неопределенными воздействиями внешней среды, но и с множеством различных режимов (видов) функционирования, соответствующих множественности решаемых задач и множественности показателей качества их решения. Как правило, системы с фиксированной структурой, настраиваемые обычно на установившийся (какой-то заданный) режим, не обеспечивают наилучшего качества управления в других режимах. Поэтому многорежимность и неопределенность условий функционирования обуславливают необходимость решения проблемы анализа и синтеза конфигурации и реконфигурации рассматриваемых объектов, основанных на интеллектуальных подходах. При этом на этапах создания и проектирования объектов с перестраиваемой структурой должны быть синтезированы такие взаимосвязанные множества режимов функционирования и структур, а также, возможно, внесён такой уровень избыточности в указанные множества с учетом пространственно-временных, технических и технологических ограничений, при которых на этапе их применения по целевому назначению имелась бы возможность гибко реагировать на все расчётные и нерасчётные нештатные ситуации, вызывающие структурные изменения объекта. С формальной точки зрения, решение указанных задач возможно в рамках такого важнейшего класса современных научно-технических задач, как задачи многокритериального структурно-функционального синтеза конфигураций многорежимных объектов на различных этапах их жизненного цикла. В настоящей статье приведен метод решения указанных задач, основанный на предложенной авторами концепции параметрического генома сложных многорежимных объектов. Применение данной концепции позволяет в концентрированном виде хранить явные и неявные знания экспертов о взаимодействии элементов и подсистем объекта при выполнении различных вариантов реализации режимов функционирования, а также осуществлять оперативное вычисление значений оптимистических и пессимистических оценок показателей структурно-функциональной надежности однородных/неоднородных, монотонных/немонотонных, равноценных/неравноценных многорежимных объектов. Для решения задачи многокритериального выбора требуемого количества недоминируемых вариантов конфигураций многорежимного объекта, равномерно расположенных в множестве эффективных (паретовских) альтернатив, была предложена комбинация метода интервального лексикографического упорядочения (последовательных уступок) и операторного решающего правила. При этом для проведения детального анализа возможности реализации объектом совместного или раздельного задействования режимов функционирования с равноценной или неравноценной интенсивностью их применения было предложено нечетко-возможностное представление обобщенного показателя структурно-функциональной надежности в виде трапециевидного числа и определения его центра тяжести. Эффективность использования разработанного метода структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта с перестраиваемой структурой проиллюстрирована на примере решения задачи структурно-параметрического синтеза конфигураций системы управления движением малого космического аппарата «Аист-2Д».
Бесплатно
Статья
В статье рассматривается задача формирования цифровой тени процесса перемещения человека. Проведен анализ предметной области, который показал необходимость формализации процесса создания цифровых теней для имитации движений человека в виртуальном пространстве, тестировании программно-аппаратных комплексов, функционирующих на основе действий человека, а также в различных системах опорно-двигательной реабилитации. Выявлено, что среди существующих подходов к захвату движений человека нельзя выделить универсальный и стабильно работающий при различных условиях внешней среды. Разработан метод формирования цифровой тени на основе комбинирования и синхронизации данных из трех систем захвата движений (трекеры виртуальной реальности, костюм motion capture и камеры с использованием технологий компьютерного зрения). Объединение перечисленных систем позволяет получить комплексную оценку положения и состояния человека независимо от условий внешней среды (электромагнитные помехи, освещенность). Для реализации предложенного метода проведена формализация цифровой тени процесса перемещения человека, включающая описание механизмов сбора и обработки данных от различных систем захвата движений, а также этапы объединения, фильтрации и синхронизации данных. Научная новизна метода заключается в формализации процесса сбора данных о перемещении человека, объединении и синхронизации аппаратного обеспечения используемых систем захвата движений для создания цифровых теней процесса перемещения человека. Полученные теоретические результаты будут использоваться в качестве основы для программной абстракции цифровой тени в информационных системах для решения задач тестирования, имитации человека и моделирования его реакции на внешние раздражители за счет обобщения собранных массивов данных о его перемещении.
Бесплатно
Методика идентификации текстов, сгенерированных большими языковыми моделями
Статья
В статье представлена методика идентификации русскоязычных текстов, сгенерированных большими языковыми моделями (LLM). Методика разработана с фокусом на короткие сообщения длиной от 100 до 200 символов. Актуальность работы обусловлена широким распространением генеративных моделей, таких как GPT-3.5, GPT-4o, LLaMA, GigaChat, DeepSeek, Yandex GPT. Методика основана на ансамбле моделей машинного обучения, также используются признаки трех уровней: лингвистические (структура, пунктуация, морфология, лексическое разнообразие), статистические (энтропия, перплексия, частотность n-грамм), семантические (эмбеддинги RuBERT). В качестве базовых моделей применяются LightGBM, BiLSTM и предобученная трансформерная модель RuRoBERTa, объединенные стеккингом через логистическую регрессию. Выбор гибридного ансамблевого подхода обусловлен стремлением учесть признаки на разных уровнях иерархии текста и обеспечить надежность классификации в условиях разных тематик генерируемых текстов, различных версий и видов языковых моделей. Применение ансамбля является преимуществом при анализе коротких текстов, поскольку LightGBM, опирающаяся на усредненные показатели, менее чувствительна к длине (метрика перплексии уже усреднена по всему тексту), тогда как BiLSTM и RoBERTa, способны выявлять локальные признаки LLM-текста, а не только глобальные. Набор данных естественных текстов включает более 2,8 млн пользовательских комментариев из социальной сети «ВКонтакте». Набор данных LLM-текстов содержит 700 тыс. текстов, сгенерированных семью актуальными большими языковыми моделями. При проведении генерации текстов применялись тематическое моделирование (LDA) и ролевая генерация с использованием промпт-инжиниринга. Проведена оценка методики на открытых датасетах русскоязычных LLM-текстов. Результаты экспериментов показали точность до 0,95 в задаче бинарной классификации («Человек–LLM») и до 0,89 в многоклассовой задаче определения модели-генератора. Методика демонстрирует устойчивость к разнообразию источников, стилей и версий LLM.
Бесплатно
Статья
Увеличение количества вычислительных ядер является одним из основных современных способов повышения производительности процессоров. При этом увеличивается и нагрузка на подсистему памяти процессора в связи с растущим числом инициаторов обращений в память. Одним из нестандартных подходов к повышению производительности подсистемы памяти является аппаратная компрессия данных, позволяющая, во-первых, повысить эффективный объем кэш-памяти, снижая частоту запросов в оперативную память, а во-вторых, снизить интенсивность трафика в подсистеме памяти за счет более плотной упаковки данных. В работе рассматривается применение аппаратной компрессии данных в сети-на-кристалле и межпроцессорных каналах связи в конфигурации с широкими каналами передачи данных и политикой управления потоком wormhole. Существующие решения для такой конфигурации нельзя считать применимыми, т.к. они принципиально основаны на использовании узких каналов передачи данных и политиках управления потоком, предполагающих передачу пакета в неразрывном виде, что может не соблюдаться при применении политики wormhole. Предлагаемая в работе методика позволяет использовать аппаратную компрессию для рассматриваемой конфигурации за счет переноса процесса компрессии и декомпрессии из самой сети в соединяемые устройства, а также ряда оптимизаций по сокрытию задержек на преобразование данных. Рассматриваются оптимизации некоторых частных случаев передачи данных – передачи больших пакетов данных, состоящих из нескольких кэш-строк, а также нулевых данных. Особое внимание в работе уделено передаче данных по межпроцессорным каналам связи, в которых, в связи с их меньшей пропускной способностью по сравнению с сетью-на-кристалле, применение компрессии способно оказать наибольший эффект. Повышение пропускной способности подсистемы памяти при использовании в ней аппаратной компрессии данных подтверждается экспериментальными результатами, показывающими относительное увеличение IPC в задачах пакета SPEC CPU2017 до 14 процентов.
Бесплатно
Статья
Анализ применения технологии умный дом указывает на недостаточный уровень управляемости его инфраструктурой, что приводит к избыточному потреблению энергетических и информационных ресурсов. Проблема управления цифровой инфраструктурой жилого пространства человека, связана с большим числом узкоспециализированных решений по домашней автоматизации, которые усложняют процесс управления. Умный дом рассматривается как множество независимых киберфизических устройств направленных на достижение своей цели. Для согласованной работы киберфизических устройств предлагается обеспечивать их совместную работу через единый информационный центр. Моделирования режимов работы устройств в цифровой среде сохраняет ресурс физических устройств, производя виртуальный расчет для всевозможных вариантов взаимодействия устройств между собой и физической средой. Разработана методика управления микроклиматом умного дома с применением ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей, на примере совместного использования кондиционера, вентиляции и отопления. Алгоритм работы нейронной сети позволяет контролировать параметры состояния физической среды, прогнозировать режимы работы киберфизических устройств и формировать сигналы управления для каждого из них, обеспечивая совместную работу устройств с минимальным ресурсопотреблением и информационным трафиком. Предложен вариант практической реализации системы управления микроклиматом умного дома на примере многофункционального учебного компьютерного класса. Разработаны гибридные нейронные сети систем кондиционирования, вентиляции и отопления. Произведено тестирование работы системы управления микроклиматом многофункциональной аудитории университета с применением гибридных нейронных сетей, в качестве устройства управления использован программируемый логический контроллер отечественного производства. Целью управления на основе взаимодействующих киберфизических устройств является достижения минимума используемой мощности и информационного трафика при их совместной работе.
Бесплатно
Методика обеспечения функциональной устойчивости системы связи за счет выявления конфликтов
Статья
Введение: Современные сложные технические системы часто бывают критически важными. Критичность обусловлена последствиями нарушения функционирования таких систем, не выполнением ими требуемого перечня функций и задач. Процесс контроля и управления такими системами осуществляется с использованием систем и сетей связи, которые становятся для них критичными. Возникает потребность в обеспечении устойчивого функционирования, как самих сложных технических систем, так и их систем управления, контроля, систем и сетей связи. В работе предложена методика обеспечения функциональной устойчивости системы связи, основой которой является процесс выявления и устранения в ней конфликтов, обусловленных отличием профиля функционирования и профиля процесса функционирования системы. Предложенная модель процесса функционирования системы связи позволяет на основе анализа интенсивностей воздействия дестабилизирующих факторов на систему, выявления конфликтов и их устранения, определить вероятность обеспечения функциональной устойчивости системы. Цель исследования: разработка методики обеспечения функциональной устойчивости системы связи в условиях воздействия дестабилизирующих факторов и возникновения конфликтов, а также модели процесса функционирования системы связи, позволяющей определять вероятность нахождения системы в функционально устойчивом состоянии. Методы теории графов и теории матриц, теории Марковских процессов. Результаты: предложена модель процесса функционирования системы связи в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, позволяющая определять вероятность нарушения функционирования системы, разработана методика обеспечения функциональной устойчивости системы связи. Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы при проектировании и построении сложных технических систем, а также в системах поддержки принятия решений, контроля, связи и управления.
Бесплатно
Статья
В современных сетях передачи данных для постоянного мониторинга сетевого трафика и обнаружения в нем аномальной активности, а также идентификации и классификации кибератак, необходимо учитывать большое число факторов и параметров, включая возможные сетевые маршруты, времена задержки данных, потери пакетов и новые свойства трафика, отличающиеся от нормальных. Все это является побудительным мотивом к поиску новых методов и методик обнаружения кибератак и защиты от них сетей передачи данных. В статье рассматривается методика обнаружения аномалий и кибератак, предназначенная для использования в современных сетях передачи данных, которая основывается на интеграции методов фрактального анализа и машинного обучения. Методика ориентирована на выполнение в реальном или близком к реальному масштабе времени и включает несколько этапов: (1) выявления аномалий в сетевом трафике, (2) идентификации в аномалиях кибератак и (3) классификации кибератак. Первый этап реализуется с помощью методов фрактального анализа (оценки самоподобия сетевого трафика), второй и третий – с применением методов машинного обучения, использующих ячейки рекуррентных нейронных сетей с долгой краткосрочной памятью. Рассматриваются вопросы программной реализации предлагаемой методики, включая формирование набора данных, содержащего сетевые пакеты, циркулирующие в сети передачи данных. Представлены результаты экспериментальной оценки предложенной методики, полученные с использованием сформированного набора данных. Результаты экспериментов показали достаточно высокую эффективность предложенной методики и разработанных для нее решений, позволяющих осуществлять раннее обнаружение как известных, так и неизвестных кибератак.
Бесплатно
Методика оценивания результативности функционирования систем обнаружения веб-бэкдоров
Статья
В настоящее время наблюдается значительный рост инцидентов информационной безопасности, связанных с атаками на веб-ресурсы. Получение несанкционированного доступа к веб-ресурсам остается одним из основных методов проникновения в корпоративные сети организаций и расширения возможностей злоумышленников. В связи с этим множество исследований направлено на разработку систем обнаружения веб-бэкдоров (СОВБ), однако существует задача оценивания результативности функционирования данных систем. Цель данного исследования заключается в разработке объективного подхода для оценки результативности функционирования СОВБ. В данной работе было установлено, что объективно результативность СОВБ проявляется в процессе их использования, поэтому тестирование таких систем необходимо проводить в условиях, максимально приближенных к реальным. В связи с этим в статье предложена методика оценивания результативности функционирования СОВБ. Она основана на расчете трех групп частных показателей, характеризующих действенность, ресурсоемкость и оперативность работы системы обнаружения, а также вычислении обобщенного показателя результативности. На основе анализа исследований в данной области была составлена классификация веб-бэкдоров, встраиваемых злоумышленником в исходный код веб-приложений. Эта классификация используется при формировании тестовых наборов данных для вычисления частных показателей действенности. Разработанная методика применима для СОВБ, которые работают на основе анализа исходного кода веб-страниц. Также для ее использования необходим ряд исходных данных, таких как допустимые предельные ошибки частных показателей действенности и вероятность нахождения их в доверительном интервале, а также весовые коэффициенты частных показателей действенности, которые подбираются экспертными методами. Данная работа может быть полезной для специалистов и исследователей в области информационной безопасности, которые хотят проводить объективную оценку своих СОВБ.
Бесплатно
Статья
Цифровизация современной экономики привела к масштабному проникновению информационных технологий в различные сферы человеческой деятельности. Кроме положительных эффектов это крайне обострило проблему противодействия киберугрозам, реализация которых злоумышленниками часто влечет за собой тяжелые последствия. Вредоносное программное обеспечение (ВПО) занимает важное место на современном ландшафте киберугроз, наиболее громкие киберпреступления последних лет связаны с применением ВПО. В связи с этим активно развивается проблемная область противодействия ВПО и одним из перспективных направлений исследований в данной области является создание методов детектирования ВПО на основе машинного обучения. Однако слабым местом многих известных исследований является построение достоверных наборов данных для моделей машинного обучения, когда авторы не раскрывают особенности формирования, предобработки и разметки данных о ВПО, что компрометирует воспроизводимость этих исследований. В данной работе предлагается методика сбора данных об активности ВПО, основанная на матрице MITRE ATT&CK и Sigma-правилах, и рассчитанная на операционные системы семейства Windows. Предлагаемая методика направлена на повышение качества наборов данных, содержащих характеристики поведения ВПО и легитимных процессов, а также на сокращение времени разметки данных экспертным способом. Для апробации методики подготовлен программный стенд и проведены эксперименты, подтвердившие ее адекватность.
Бесплатно
Методология построения эталонного теста для оценки работы LLM с числительными
Статья
В статье представлена методология разработки эталонного теста для оценки навыков числового мышления в больших языковых моделях (Large Language Models, LLM). Под числовым мышлением в контексте LLM понимается способность модели корректно интерпретировать, обрабатывать и использовать числовую информацию в тексте – включая понимание значений чисел, их соотношений, выполнение арифметических операций, а также корректную генерацию числительных в ответах. Предложенная методология основана на декомпозиции прикладных задач и позволяет оценивать отдельные аспекты числового мышления на примере задач с числительными. Особое внимание уделяется способу представления чисел в текстовых инструкциях к LLM, поскольку это напрямую влияет на качество итогового ответа. Необходимость точной оценки числового мышления LLM обусловлена тем, что эта способность критически важна для широкого спектра прикладных задач работы с текстами, в том числе для автоматизированного составления кратких изложений, генерации аналитических отчётов, извлечения и интерпретации количественных данных, а также для диалоговых систем, работающих с финансовой, научной или технической информацией. На основе анализа современных подходов к оценке LLM сформулированы основные принципы построения эталонных тестов с упором на универсальность и применимость в реальных сценариях. В соответствии с предложенной методологией разработан эталонный тест MUE (Math Understanding Evaluation), включающий пять наборов тестовых заданий, каждый из которых предназначен для оценки отдельного аспекта числового мышления LLM. Проведена сравнительная оценка качества популярных LLM, определены лидеры, а также выявлены сильные и слабые стороны их числового мышления. Полученные результаты могут использоваться разработчиками LLM для улучшения архитектур и стратегий обучения, а также конечными пользователями и интеграторами для выбора оптимальной модели в прикладных проектах.
Бесплатно
Статья
В современных условиях в сфере создания и применения существующих и перспективных космических средств (КСр) приобретают особую актуальность вопросы автономности и живучести при разработке и эксплуатации маломассоразмерных космических аппаратов (МКА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Специфика МКА заключается в том, что к процессу их создания трудно напрямую применить стандартную практику использования системы обеспечения надежности, принятую в ракетно-космической промышленности, из-за отсутствия возможности обеспечить полное структурное резервирование его бортовых систем (БС), связанное с массового-габаритными и другими ограничениями. В этом случае особую актуальность приобретают задачи разработки модельно-алгоритмических способов и подходов к обеспечению требуемого уровня показателей структурной надежности, живучести и, в целом, эффективности функционирования БС МКА. Проблема повышения уровня показателей автономности, живучести, эффективности функционирования сложных технических объектов (СТО), к которым, в частности, относятся МКА, в научной литературе рассматривается в совокупности с решением задач контроля, оценивания и технического диагностирования состояния СТО, проведения реконфигурации (структурной, функциональной, структурно-функциональной) структур СТО, управления ее резервами, альтернативного и многорежимного управления, анализа отказоустойчивости и катастрофоустойчивости СТО. Однако, все перечисленные исследования носят разрозненный и разобщенный характер как на методологическом, так и методическом и технологическом уровнях. В статье приводится обобщенное описание разработанных авторами комбинированных методов и алгоритмов решения задач синтеза технологий и программ управления реконфигурацией БС для повышения живучести МКА. При этом данные задачи и решаются не изолировано, а комплексно в рамках общей проблемы проактивного управления структурной динамикой МКА с использованием, либо без использования средств НКУ, что обеспечивает оперативность, обоснованность, полноту, замкнутость и непротиворечивость синтезируемых управленческих решений. Новизна предложенного в статье подхода состоит в том, что ее авторы, базируясь на сформулированных ими концепциях комплексного (системного) моделирования, проактивного управления структурной динамикой БС МКА, а также интеллектуализации процессов проактивного управления БС МКА, разработали методы и алгоритмы синтеза технологий и программ управления реконфигурацией БС МКА, обеспечивающие, во-первых, ситуационный выбор оптимальной последовательности выполнения операций и распределения ресурсов МКА с использованием и без использования средств НКУ, и, во-вторых, эффективное парирование не только расчетных, но и нерасчетных аварийных полетных ситуаций (АПС), а также оперативное восстановление работоспособности его БС. Конструктивность предложенного подхода иллюстрируется на примере решения задачи гибкого перераспределения задач обработки информации между БС МКА и НКУ МКА.
Бесплатно
Методы и модели извлечения знаний из медицинских документов
Статья
В работе выполнен анализ современного состояния проблемы извлечения знаний из клинических рекомендаций, представленных в виде слабоструктурированных корпусов текстовых документов на естественном языке с учетом их периодического обновления. Рассматриваемые методы интеллектуального анализа накопленных массивов медицинских данных позволяют автоматизировать ряд задач, направленных на повышение качества медицинской помощи за счет значимой поддержки принятия решений в процессе диагностики и лечения. Выполнен обзор известных публикаций, освещающий подходы к автоматизации построения нейросетевых языковых моделей, онтологий и графов знаний в задачах семантического моделирования проблемно-ориентированного корпуса текстов. Представлена структурно-функциональная организация системы извлечения знаний и автоматического построения онтологии и графа знаний проблемно-ориентированного корпуса для конкретной предметной области. Рассмотрены основные этапы извлечения знаний и динамического обновления графа знаний: извлечение именованных сущностей, семантическое аннотирование, извлечение терминов, ключевых слов, тематическое моделирование, идентификация тем и извлечение отношений. Формализованное представление текстов получено с помощью предобученной модели-трансформера BERT. Использовано автоматическое выделение триплетов «объект»-«действие»-«субъект» на основе частеречной разметки корпуса текстов для построения фрагментов графа знаний. Проведен эксперимент на корпусе медицинских текстов заданной тематики (162 документа обезличенных историй болезни пациентов педиатрического центра) без предварительной разметки с целью проверки предложенного решения по извлечению триплетов и конструирования на их основе графа знаний. Анализ экспериментальных результатов подтверждает необходимость более глубокой разметки корпуса текстовых документов для учета специфики медицинских текстовых документов. Показано, что модели общего назначения не позволяют приблизиться по качеству выделения именованных сущностей к специализированным моделям, однако, позволяют предварительно разметить корпус для дальнейшей верификации и уточнения разметки (оценка F1-меры для модели общего назначения – 20,4% по сравнению с вариантом использования словаря – 16,7%). Для неразмеченного корпуса текстов предложенное решение демонстрирует удовлетворительную работоспособность ввиду выделения атомарных фрагментов, включаемых в автоматически формируемую онтологию.
Бесплатно
Методы классификации ЭЭГ-паттернов воображаемых движений
Статья
Рассматриваются наиболее перспективные методы классификации электроэнцефалографических сигналов при разработке неинвазивных интерфейсов мозг–компьютер и теоретических подходов для успешной классификации электроэнцефалографических паттернов. Приводится обзор работ, использующих для классификации риманову геометрию, методы глубокого обучения и различные варианты предобработки и кластеризации электроэнцефалографических сигналов, например общего пространственного фильтра. Среди прочих подходов предобработка электроэнцефалографических сигналов с применением общего пространственного фильтра часто используется как в офлайн, так и в онлайн режимах. Согласно исследованиям последних лет сочетание общего пространственного фильтра, линейного дискриминантного анализа, метода опорных векторов и нейронной сети с обратным распространением ошибки позволило достигнуть 91% точности при двухклассовой классификации с обратной связью в виде управления экзоскелетом. Исследований по использованию римановой геометрии в условиях онлайн очень мало, и на данный момент наилучшая точность при двухклассовой классификации составляет 69,3%. При этом в офлайн тестировании средний процент классификации в рассмотренных статьях для подходов с применением общего пространственного фильтра – 77,5±5,8%, сетей глубокого обучения – 81,7±4,7%, римановой геометрии – 90,2±6,6%. За счет нелинейных преобразований методы, основанные на римановой геометрии, а также на применении глубоких нейронных сетей сложной архитектуры, обеспечивают большую точность и способность к извлечению полезной информации из сигнала по сравнению с линейным преобразованием общего пространственного фильтра. Однако в условиях реального времени важна не только точность, но и минимальная временная задержка. Здесь преимущество может быть за подходами с использованием преобразования общего пространственного фильтра и римановой геометрии с временной задержкой менее 500 мс.
Бесплатно
Статья
Целью работы является создание методов управления шагающими роботами реального времени для широкого диапазона режимов движения. Рассматривается модификация метода обратной задачи с использованием универсального адаптивного генератора походок, реализующего шестимерное движение корпуса робота. Выполнена программная реализация этого метода с добавлением методов регуляризации для численного интегрирования уравнений с вырожденной матрицей. Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования движения робота собаки в различных режимах по микро и макронеровностям. Отмечается невысокий уровень динамических показателей движения робота, в частности, высокая вибрация, что соответствует литературным данным для аналогичных по кинематической схеме роботов собак, управление которыми синтезируется методами машинного обучения и обратной задачи. Причиной низкого качества управления являются фазы движения, в которых система становится неуправляемой. Для безусловного выполнения условия управляемости системы рассмотрены возможные модификации кинематической схемы робота. Такие модификации могут быть выполнены введением избыточных управляемых степеней свободы за счет хвоста, лап и др. Предложены новые теоретические методы управления систем с избыточными степенями свободы на основе метода обобщенной задачи динамического уравновешивания. Подтверждена эффективность этих методов моделированием управляемого движения робота собаки с хвостом и лапами. Для распространенной кинематической схемы робота собаки с тремя приводами на ногу и точечным контактом в стопе в качестве рационального решения предлагается использование моноколеса для движения по микронеровностям и шагающих движителей для преодоления макронеровностей и выхода из аварийных ситуаций, например, опрокидывания. Эпизодическое использование шагающих движителей допускает упрощенные режимы управления, которые эффективно реализуются в рамках предложенной модификации метода обратной задачи. Концепция подтверждена численными и натурными экспериментами. Система управления локомоцией в этом случае может быть реализована на недорогой аппаратной базе, в том числе с использованием апробированного приборного оснащения широко распространенных роботов, в частности, квадрокоптеров. Особенностью роботов, построенных на предлагаемых принципах управления, является модульность конструкции, позволяющая получать модификации в широком диапазоне технических характеристик путем различной конфигурации модулей. Такие высокомобильные роботы могут стать дешевой и безопасной платформой для доводки систем навигации, беспилотного управления и др. в условиях реальной эксплуатации в различных сферах применения.
Бесплатно
Микросервисная архитектура виртуальных тренажерных комплексов
Статья
В представленной работе рассматривается задача автоматизации и снижения сложности процесса разработки виртуальных тренажерных комплексов. Проведенный анализ предметной области показал необходимость перехода от монолитного подхода к сервис-ориентированному варианту архитектуры. Выявлено, что использование монолитной архитектуры при реализации виртуальных тренажерных комплексов ограничивает возможность модернизации системы, увеличивает ее программную сложность, затрудняет реализацию интерфейса для управления и мониторинга процесса подготовки. Представлена общая концепция микросервисной архитектуры виртуальных тренажерных комплексов, даны определения основных и второстепенных компонентов. Научная новизна исследования заключается в переходе от классической монолитной архитектуры в предметной области ВТК к микросервисной архитектуре и устранении недостатков данного подхода за счет реализации единого протокола обмена информацией между модулями и отделения процедур сетевого взаимодействия в программные библиотеки в каждом микросервисе для унификации и повышения надежности работы системы. Применение изолированных, слабо связанных микросервисов позволяет использовать оптимальные технологии, платформы и фреймворки для их реализации, отделить графический интерфейс инструктора тренажера от системы визуализации и виртуальной реальности, обеспечить возможность гибкой замены основных компонентов (визуализации, интерфейса, взаимодействия с виртуальной реальностью) без изменения архитектуры и влияния на остальные модули. Осуществлена декомпозиция структурной модели микросервисной архитектуры, представлена специфика функционирования основных компонентов. Рассмотрена реализация библиотек сетевого взаимодействия микросервисов и протокола обмена данных на основе JSON. Практическая значимость предложенной архитектуры состоит в возможности распараллеливания и снижения сложности процесса разработки и модернизации тренажерных комплексов. Проанализированы особенности функционирования систем, реализованных на предложенной микросервисной архитектуре.
Бесплатно
Статья
Рассматривается задача минимизации отклонений в траекториях свободного движения линейных систем с ограничениями по управлению. Предложен итеративный алгоритм для минимизации отклонений с использованием технологии системных грамианов и числа обусловленности матрицы собственных векторов устойчивой системы. Минимизация затрат на управление базируется на анализе сингулярного разложения грамиана затрат на управление с последующим формированием мажорантных и минорантных грамианных оценок. Минимизация отклонений в траекториях свободного движения систем осуществляется путем минимизации числа обусловленности матрицы собственных векторов матрицы состояния замкнутой системы, при этом матрица состояния с желаемыми спектрами собственных чисел и собственных векторов конструируется на основе обобщенного модального управления. В основе разработки итеративного алгоритма для минимизации отклонений в траекториях движения линейных систем при ненулевых начальных условиях с ограничениями по управлению лежит агрегированный показатель, позволяющий сформировать систему с минимальными отклонениями в траекториях ее свободного движения при минимальных затратах на управление. Данный показатель учитывает одновременно как оценку грамиана затрат на управление, так и число обусловленности матрицы собственных векторов устойчивой замкнутой системы. Минимизация агрегированного показателя позволяет обеспечить минимальные отклонения в траекториях свободного движения систем рассматриваемого класса. Алгоритм апробирован на примере системы с ограниченным входом, описывающей относительное движение двух спутников. Рассмотрено два случая минимизации отклонений. В первом случае минимизация отклонений в траекториях свободного движения спутников выполнена только за счет минимизации грамиана затрат на управление. Во втором случае минимизация отклонений осуществлена с применением разработанного алгоритма. Полученные результаты иллюстрируют эффективность предложенного алгоритма и уменьшение величины отклонений в траекториях относительного движения спутников.
Бесплатно
Статья
Лесные пожары являются одной из наиболее опасных и трудно прогнозируемых природных угроз, что требует постоянного мониторинга линии распространения огня в реальном времени. Традиционные средства, такие как спутниковая съемка или наземные наблюдательные посты, не обеспечивают необходимой оперативности и полноты данных. Перспективным решением становится использование роя беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), однако их эффективная координация в условиях динамичной обстановки и ограниченных ресурсов связи и вычислений требует разработки специальных алгоритмов. В работе представлена многоуровневая стратегия управления роем БПЛА, объединяющая три механизма. Горизонтальная навигация реализуется методом искусственных потенциальных полей (Artificial Potential Field, APF), обеспечивающим притяжение к линии фронта пожара и отталкивание от препятствий и соседних аппаратов. Распределённый протокол согласования стабилизирует полет на общей опорной высоте, что гарантирует сопоставимые углы обзора. Для оптимального распределения вдоль линии фронта используется модифицированный алгоритм роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), позволяющий снизить конкуренцию между дронами и уменьшить лишние манёвры. Проведена серия вычислительных экспериментов, в которых сопоставлены классический APF и гибрид APF+PSO для решения задачи оптимизации функционала эффективности движения роя БПЛА. Гибридная схема APF+PSO снижает значение функционала эффективности почти на порядок по сравнению с классическим методом APF; уменьшает вариативность поведения роя; поддерживает согласованную высоту без выраженного перерегулирования и обеспечивает корректный обход препятствий при движущемся фронте. Минимальные междроновые дистанции не опускались ниже порогового значения 5 м, что подтверждает соблюдение требований безопасности. Алгоритм демонстрирует устойчивое слежение за движущимся фронтом на протяжении всего горизонта моделирования, обеспечивая корректный обход препятствий. Разработанная стратегия сочетает вычислительную простоту с высокой надежностью. Дальнейшие исследования будут направлены на учет данных бортовых сенсоров (видео и тепловизоров), моделирование влияния ветра и рельефа, анализ задержек и потерь связи, а также расширение алгоритма на крупные группы БПЛА.
Бесплатно
Модели и методы выявления структуры локальной вычислительной сети при неполных данных
Статья
Описание логической и физической структуры сети необходимо для решения многих задач сетевого управления. Автоматизация построения такого описания осложнена возможностью неполноты и некорректности исходных данных о структуре сети, получаемых из стандартных источников. В данной статье приводится исследование свойств неполных исходных данных о связях сетевых устройств на канальном уровне. Для этого вводятся графовые модели структуры канального уровня в присутствии виртуальных локальных сетей, формализуется задача дополнения исходных данных. Приводятся методы обобщённой обработки разнородных исходных данных о канальном уровне. В работе описываются модели и методы выведения части отсутствующих данных, а также условие, при котором исходные данные могут позволить построить единственное правильное описание структуры сети. Статья включает методы определения в исходных данных некорректных элементов и ситуаций, при которых возможно несколько решений задачи описания структуры сети. Приводятся алгоритмы построения описания структуры сети при неполных данных, когда их можно и нельзя восполнить до необходимого объема, методы разрешения неоднозначности во входных данных и методы исправления некорректных данных. Проведённые вычислительные испытания методов на сгенерированных данных и в реальных сетях показывают их применимость и эффективность в сетях различных структур и со смешанным набором производителей оборудования. Также, показывается преимущество перед разработанными ранее аналогичными методами: способность дополнить до 99% данных о связях на канальном уровне за полиномиальное время, возможность получения точного решения при неоднозначности исходных данных.
Бесплатно
Моделирование динамики коллективного поведения в рефлексивной игре с произвольным числом лидеров
Статья
Рассматривается олигополия с произвольным числом лидеров по Штакельбергу в условиях неполной, асимметричной информированности агентов и неадекватности предсказаний ими действий конкурентов. Исследуются модели процессов принятия агентами индивидуальных решений. Теоретической основой для построения и аналитического исследования моделей процессов являются теория рефлексивных игр и теория коллективного поведения. Они дополняют друг друга тем, что рефлексивные игры позволяют использовать процедуры коллективного поведения и результаты размышлений агентов, приводящие к равновесию Нэша. Динамический процесс принятия решений рассматривается как повторяемые статические игры на диапазоне допустимых ответов агентов на ожидаемые действия окружения с учетом в каждой игре реальных экономических ограничений и конкурентоспособности. Каждый рефлексирующий агент в каждой игре рассчитывает свое текущее положение цели и изменяет свое состояние, делая шаги в направлении текущего положения цели так, чтобы получить положительную собственную прибыль или минимизировать потери. Основным результатом работы являются достаточные условия сходимости процессов в дискретном времени для случая линейных издержек агентов и линейного спроса. Получены новые аналитические выражения для диапазонов величин текущих шагов агентов, при которых гарантируется сходимость моделей коллективного поведения к статичному равновесию Нэша. Что позволяет каждому агенту максимизировать собственную прибыль, предполагая полное (совершенное) знание среди агентов. Анализируются также процессы, когда агент выбирает свой наилучший ответ. Последние могут не давать сходящиеся траектории. Подробно обсуждается случай дуополии в сравнении с современными результатами. Приведены необходимые математические леммы, утверждения и их доказательства.
Бесплатно
Моделирование перемещения груза двумя БпЛА при наличии связей с отклоняющимся аргументом
Статья
Рассматривается задача транспортировки груза, подвешенного на двух беспилотных летательных аппаратах (БпЛА) с помощью гибких связей – тросов. Актуальность исследования обусловлена широким применением групп летательных аппаратов для выполнения транспортных операций в труднодоступных районах или при ликвидации чрезвычайных ситуаций, когда требуется перемещение объектов значительной массы или размеров. Движение БпЛА не является строго синхронным. Это приводит к изменению геометрической конфигурации системы «БпЛА – тросы – груз» и перераспределению нагрузок. Цель работы заключается в разработке математической модели динамики движения груза, перевозимого двумя беспилотными летательными аппаратами, перемещающимися по одинаковой траектории, при условии запаздывания одного из аппаратов относительно другого на заданном промежутке времени, и определении сил реакции связей в тросах при различных режимах движения рассматриваемой механической системы. Для описания динамики движения используются дифференциальные уравнения с учетом связей с отклоняющимся аргументом. Такой подход позволяет учитывать влияние движения «запаздывающего» БпЛА на перемещение транспортируемого объекта. Проведен кинематический анализ системы, получены геометрические соотношения, определяющие положение и траекторию переносимого груза. На основе модели динамики движения груза получены зависимости реакций связей от времени движения рассматриваемой механической системы. Проведено имитационное моделирование движения переносимого груза при различных законах движения беспилотных летательных аппаратов, показывающее влияние запаздывания одного из БпЛА на распределение нагрузок между тросами и характер движения груза. Полученные зависимости могут быть использованы при разработке систем управления групповыми транспортными комплексами для обеспечения их устойчивого движения и повышения надежности перевозки различных объектов.
Бесплатно
