Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 177
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
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
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
Модель информационного взаимодействия элементов многоуровневой системы цифровых двойников
Статья
Одной из значимых проблем исследования процессов и явлений в окружающей среде является характерная для технических средств их регистрации пространственно-временная анизотропия. Причиной тому является зачастую крайне неравномерное распределение средств мониторинга по земной поверхности, а также многочисленные выбросы и пропуски в данных, обусловленные как несовершенством используемого оборудования, так и человеческим фактором. Одним из вариантов решения проблемы является применение многоуровневой системы цифровых двойников, базирующихся на соответствующих отраслевых моделях и пополняемой базе архивных данных, что в совокупности с физическими прототипами технических систем обеспечивает высокую плотность покрытия земной поверхности и возможность восстановления соответствующих данных. Вместе с тем нерешенным по-прежнему остается вопрос организации информационного взаимодействия между уровнями системы цифровых двойников, что в значительной степени усугубляется постоянно растущим объемом данных и их неоднородным характером. В работе предлагается организация информационного взаимодействия в системе цифровых двойников на основе формализованного механизма пакетирования пространственно-временной информации, при котором идентификация источников данных выполняется посредством иерархической системы бинарной токенизации. На примере технических систем мониторинга параметров геомагнитного поля и его вариаций рассматриваются особенности практической реализации такого подхода, отличительной особенностью которого является комбинирование традиционной клиент-серверной и инновационной бессерверной архитектур, для реализации высоконагруженного реактивного веб-приложения для работы с анализируемыми данными. Результаты проведенных вычислительных экспериментов подтвердили эффективность предложенных решений, выраженной как в повышении реактивности клиент-ориентированных приложений, так и в увеличении вычислительной скорости формирования и заполнения информационных хранилищ, агрегирующих информацию из распределенных гетерогенных источников.
Бесплатно
Модель машинного обучения для определения оптимальной стратегии в онлайн-аукционе
Статья
В работе рассмотрено применение модели машинного обучения для определения оптимальной стратегии пользователя для победы в аукционе на покупку товара/услуги с использованием задачи наилучшего выбора. Применение модели наилучшего выбора позволяет участникам аукциона определить стратегию, которая минимизирует ожидаемую стоимость товара/услуги на основе функции распределения его цен. На практике наиболее часто цены на товар, услугу или ресурс имеют распределение, близкое к нормальному или к смеси нормальных распределений. Возникают задачи определения числа компонент смеси нормальных распределений и определения ее параметров. Одним из распространенных методов для определения числа компонент смеси распределений является BIC критерий. Оценить неизвестные параметры смеси нормальных распределений при фиксированном числе компонент можно с помощью EM-алгоритма, однако временные затраты на оценку параметров данным методом возрастают как при увеличении объёма выборки, так и при увеличении числа рассматриваемых компонент смеси. Разработана классификационная модель машинного обучения на основе сверточной нейронной сети для автоматизации и ускорения процесса определения числа компонент смеси нормальных распределений и оценки ее параметров. Приведены результаты тренировки и тестирования модели машинного обучения. Проведено сравнение применения разработанной модели с другими алгоритмами, не использующими нейронные сети. Результаты показывают, что предложенная модель позволяет эффективно определить наиболее подходящее число компонент для смеси нормальных распределений и уменьшает скорость вычисления параметров распределения при применении EM-алгоритма. Модель машинного обучения может быть применена в различных областях, например, в финансовом анализе или для определения оптимальной стратегии в аукционе на аренду вычислительного ресурса.
Бесплатно
Статья
Приводятся сведения о новом подходе к приложению методов теории полумарковских процессов для решения прикладной задачи по оцениванию функциональной устойчивости элементов, входящих в состав информационной инфраструктуры, функционирующей в условиях воздействия множества компьютерных атак. Задача оценивания функциональной устойчивости сводится к задаче поиска функции живучести исследуемого элемента и определению ее экстремальных значений. Обосновывается актуальность исследования. В основе обоснования лежит предположение о том, что количественные методы исследования устойчивости технических систем, которыми оперирует теория надежности, не всегда могут быть применены для оценки живучести. Уточняются понятия «устойчивость» и «компьютерная атака». Формулируются вербальная и формальная постановки задач исследования. Новизна полученных результатов заключается в применении известных методов для решения практически значимой задачи в новой постановке с учетом ограничения на ресурс, выделенный для поддержания живучести исследуемого элемента, при условии принятия произвольных законов распределения случайных времен реализации компьютерных атак и времен восстановления функционала элемента. Приводятся рекомендации по формированию исходных данных, содержание укрупненных этапов моделирования и тестовый пример для демонстрации работоспособности модели. Приводятся результаты тестового моделирования в виде графиков функции живучести. Полученное приложение может быть использовано на практике для построения функции живучести при реализации до трех компьютерных атак, а также как инструмент для оценивания достоверности аналогичных статистических моделей. Ограничение объясняется прогрессивным возрастанием размерности аналитической модели и снижением возможности её содержательной интерпретации.
Бесплатно
Статья
Рассмотрены основные способы организации современных спутниковых систем связи и используемые в них способы синхронизации и передачи служебной информации, а также механизм кадровой синхронизации с точки зрения помехоустойчивости. На основании проведенного анализа предложена структурная схема имитационной модели для исследования влияния непреднамеренных помех на каналы современных спутниковых систем связи. Предлагаемая модель воздействия нестационарных помех на канал спутниковой связи учитывает влияние помех на символьную и кадровую синхронизации, механизмы выделения границ кадра, а также действие современных кодов исправления ошибок. Модель позволяет оценить влияние нестационарных помех как на информационную, так и на служебную части кадра современных систем широкополосной спутниковой связи. В качестве показателя помехоустойчивости канала спутниковой связи используется вероятность потери кадра, то есть пропуска кадра ввиду нарушения в системе кадровой синхронизации, неверного выделения границ кадра либо наличия в кадре ошибок, которые не были исправлены корректирующими кодами. С использованием указанной модели проведено исследование влияния нестационарных помех различной длительности на информационную и служебную части кадра, сравнение результатов воздействия нестационарных помех различной длительности с воздействием белого гауссовского шума. Показано, что нестационарные помехи, представляющие собой короткие шумовые импульсы, которые не влияют на информационную часть кадра, из-за исправления кодами коррекции могут снижать качество приема ввиду нарушения работы кадровой синхронизации и искажения служебной информации о сигнально-кодовой конструкции и длине кадра.
Бесплатно
Статья
В статье исследуется влияние непреднамеренных импульсных помех на прием информации в условиях эпизодической синхронизации кадров физического уровня канала спутниковой связи с потоками импульсов помех. Предложена аналитическая модель влияния непреднамеренных импульсных помех на прием информации в спутниковом канале связи в условиях эпизодической синхронизации кадров физического уровня с потоками импульсных помех. На примере стандарта DVB-S2 показано совместное влияние шума и непреднамеренных импульсных помех на условные вероятности ошибок при приеме синхрогруппы, служебной части заголовка и информационной части кадра. Приведены оценки среднего числа кадров физического уровня на длительности интервала эпизодической синхронизации, числа интервалов эпизодической синхронизации и доли элементарных посылок в кадре, подвергшихся воздействию помехи, в зависимости от скважности импульсной помехи. Показано, что существуют такие соотношения между длительностью импульса помехи и скважностью ее следования, при которых явление эпизодической синхронизации кадров физического уровня с потоком импульсных помех оказывает существенное влияние на функционирование канала спутниковой связи. Получены зависимости вероятности ошибочного приема кадра физического уровня канала спутниковой связи от отношения сигнал/помеха при фиксированном отношении сигнал/шум и от длительности импульса помехи. Установлено, что при высоких отношениях сигнал/помеха и длительности помехи, соотносимой с длительностью служебной части кадра, но значительно меньше длительности кадра, вероятность ошибочного приема кадра может быть выше, чем при более низких отношениях сигнал/помеха за счет ошибок при приеме служебной части кадров.
Бесплатно
Модель централизованно-зарезервированного доступа к среде в сетях цифровой радиосвязи
Статья
Централизованно-зарезервированный доступ к среде в сетях цифровой радиосвязи семейства стандартов IEEE 802.11 является альтернативой случайному множественному доступу к среде типа CSMA/CA и в основном используется при передаче голосовых и видеосообщений в режиме реального времени. Область применения централизованно-зарезервированного доступа к среде определяет интерес к нему со стороны злоумышленников. Однако оценка эффективности централизованно-зарезервированного доступа к среде в условиях потенциально возможных деструктивных воздействий не проводилась, а потому сложно определить вклад этих воздействий в снижение эффективности такого доступа. Представлена аналитическая модель централизованно-зарезервированного доступа к среде, учитывающая не только этап его функционирования, но и этап установления в условиях деструктивных воздействий со стороны злоумышленника. Причем в модели этап установления централизованно-зарезервированного доступа к среде отображает последовательную взаимосвязь такого доступа, синхронизации элементов сетей цифровой радиосвязи и случайного множественного доступа к среде типа CSMA/CA. Установлено, что коллизии в канале передачи данных, вызванные деструктивными воздействиями, способны исключить централизованно-зарезервированный доступ к среде еще на этапе его установления. Модель применима при проектировании сетей цифровой радиосвязи семейства стандартов IEEE 802.11, оптимизации работы таких сетей и обнаружении потенциально возможных деструктивных воздействий со стороны злоумышленника.
Бесплатно
Статья
Данный исследовательский обзор сосредоточен на мониторинге надежности вычислительных систем в режиме реального времени на стороне пользователя. В условиях гетерогенной и распределенной вычислительной среды, где отсутствует централизованный контроль, исследуется использование моделей искусственного интеллекта для поддержки процессов принятия решений в мониторинге надежности системы. Методология исследования основана на систематическом отображении предыдущих исследований, опубликованных в научных базах данных IEEE и Scopus. Анализ проведен на основе 50 научных статей, опубликованных с 2013 по 2022 годы, показал растущий научный интерес к данной области. Основное применение исследуемого метода связано с сетевыми технологиями и здравоохранением. Данный метод нацелен на интеграцию сети медицинских сенсоров и управляющих данных с пользовательскими вычислительными устройствами. Однако этот метод также применяется в промышленном и экологическом мониторинге. Выводы исследования показывают, что мониторинг надежности пользовательских вычислительных устройств в режиме реального времени находится на начальной стадии развития. Он не имеет стандартов, но за последние два года приобрел значительное значение и интерес. Большинство исследуемых статей сосредоточены на методах сбора данных с использованием уведомлений для поддержки централизованных стратегий принятия решений. Однако, существует множество возможностей для дальнейшего развития данного метода, таких как совместимость данных, федеративные и совместные модели принятия решений, формализация экспериментального дизайна, суверенитет данных, систематизация базы данных для использования предыдущих знаний и опыта, стратегии калибровки и повторной корректировки для источников данных.
Бесплатно
На пути к автоматизированному и оптимальному проектированию систем IIoT
Статья
В современном мире Интернет вещей стал неотъемлемой частью нашей жизни. Растущее число умных устройств и их повсеместное распространение усложняют разработчикам и системным архитекторам эффективное планирование и внедрение систем Интернета вещей и промышленного Интернета вещей. Основная цель данной работы – автоматизировать процесс проектирования промышленных систем Интернета вещей при оптимизации параметров качества обслуживания, срока службы батареи и стоимости. Для достижения этой цели вводится общая четырехуровневая модель туманных вычислений, основанная на математических множествах, ограничениях и целевых функциях. Эта модель учитывает различные параметры, влияющие на производительность системы, такие как задержка сети, пропускная способность и энергопотребление. Для нахождения Парето-оптимальных решений используется генетический недоминируемый алгоритм сортировки II, а для определения компромиссных решений на Парето-фронте – метод определения порядка предпочтения по сходству с идеальным решением. Оптимальные решения, сгенерированные этим подходом, представляют собой серверы, коммуникационные каналы и шлюзы, информация о которых хранится в базе данных. Эти ресурсы выбираются на основе их способности улучшить общую производительность системы. Предлагаемая стратегия следует трехэтапному подходу для минимизации размерности и уменьшения зависимостей при исследовании пространства поиска. Кроме того, сходимость оптимизационных алгоритмов улучшается за счет использования предварительно настроенной начальной популяции, которая использует существующие знания о том, как должно выглядеть решение. Алгоритмы, используемые для генерации этой начальной популяции, описываются подробно. Для иллюстрации эффективности автоматизированной стратегии приводится пример ее применения.
Бесплатно
Нечетко-логические методы в задаче детектирования границ объектов
Статья
Рассматривается задача уменьшения вычислительной сложности методов выделения контуров на изображениях. Решение поставленной задачи достигается модификацией детектора Канни двумя нечетко-логическими методами, позволяющими сократить число проходов по исходному изображению: в-первом случае, путем исключения двух проходов, связанных с определением наличия соседства претендующего на границу пикселя со смежными в рамке размером 3´3, а во-втором случае, исключением операции определения угла направления градиента путем формирования данной величины комбинацией нечетких правил. Целью работы является уменьшение времени детектирования границ объектов на фото- видео-изображениях, за счет уменьшения вычислительной сложности применяемых методов. Интеллектуализация процесса детектирования границ осуществляется частичным повтором вычислительных операций, используемых в детекторе Канни, с дальнейшей заменой наиболее сложных вычислительных процедур. В предлагаемых методах после определения величины градиента и угла его направления осуществляется фаззификация восьми входных переменных, в качестве которых используется разность градиентов между центральной и смежными ячейками в рамке размером 3´3. Затем строится база нечетких правил. В первом методе в зависимости от угла направления градиента используются четыре нечетких правила и исключается один проход. Во втором методе шестнадцать нечетких правил сами задают угол направления градиента, при этом исключается два прохода вдоль изображения. Разность градиентов между центральной ячейкой и смежными ячейками позволяет учитывать форму распределения градиента. Затем на основе метода центра тяжести осуществляется дефаззификация результирующей переменной. Дальнейшее использование нечетких a-срезов позволяет осуществить бинаризацию результирующего изображения с выделением на нем границ объектов. Для оценки вычислительной скорости работы предложенных нечетких методов детектирования границ в среде Microsoft Visual Studio было разработано программное обеспечение. Представленные экспериментальные результаты показали, что уровень шума зависит от величины a-среза и параметров меток трапециевидных функций принадлежности. Ограничением двух методов является использование кусочно-линейных функций принадлежности. Экспериментальные исследования работоспособности предложенных методов детектирования контуров показали, что время первого нечеткого метода на 18% быстрее по сравнению с детектором Канни и на 2 % по отношению ко второму нечеткому методу. Однако при визуальной оценке установлено, что второй нечеткий метод лучше определяет границы объектов.
Бесплатно
Новый метод оптимального сокращения множества признаков
Статья
Рассматривается задача нахождения минимального по размеру множества атрибутов, используемых для распределения многомерных объектов по классам, например на основе деревьев решений. Задача имеет важное значение при разработке высокопроизводительных и точных классифицирующих систем. Приведен краткий сравнительный обзор известных методов. Задача сформулирована как отыскание минимального (взвешенного) покрытия на различающей 0,1-матрице, которая служит для описания возможности атрибутов разделять пары объектов из разных классов. Приведено описание способа построения различающей матрицы. Сформулированы и решены на основе общего разрешающего принципа групповых резолюций следующие варианты задачи: отыскание минимального по размеру множества атрибутов на заданном входном наборе данных; отыскание минимального по размеру множества атрибутов с минимальным суммарным весом атрибутов (в качестве весов атрибутов можно использовать величины, определяемые на основе известных алгоритмов, например на основе метода RELIEF); нахождение оптимального взвешенного нечеткого покрытия для случая, когда элементы различающей матрицы принимают значения в диапазоне [0,1]; определение статистически оптимального покрытия различающей матрицы (например, для входных наборов данных больших размеров). Статистически оптимальный алгоритм позволяет ограничить время решения полиномом от размеров задачи и плотности единичных элементов в различающей матрице и при этом обеспечить близкую к единице вероятность отыскания точного решения. Таким образом, предлагается общий подход к определению минимального по размеру множества атрибутов, учитывающий различные особенности в постановке задачи, что отличает данный подход от известных. Изложение содержит многочисленные иллюстрации с целью придать ему максимальную ясность. Ряд теоретических положений, приводимых в статье, основывается на ранее опубликованных результатах. В заключительной части представлены результаты экспериментов, а также сведения о сокращении размерности задачи о покрытии для больших массивов данных. Отмечаются некоторые перспективные направления изложенного подхода, включая работу с неполными и качественными данными, интегрировании управляющей модели в систему классификации данных.
Бесплатно
О стохастической оптимизации энергопотребления процессора смартфона
Статья
Увеличение времени работы смартфона — это постоянное стремление, которое с каждым годом становится все более и более важным. Это может быть достигнуто с помощью более совершенного оборудования или путем внедрения в программное обеспечение практик с учетом энергопотребления, и последний подход является более доступным. Поскольку ЦП является одним из самых энергоемких устройств для смартфонов, динамическое масштабирование частоты напряжения (DVFS) представляет собой метод настройки частоты ЦП в соответствии с текущими вычислительными потребностями, и уже были разработаны различные алгоритмы, как энергосберегающие, так и энергонезависимые. Следуя нашей предыдущей работе по этому вопросу, мы предлагаем новый подход DVFS для использования стохастической аппроксимации одновременных возмущений (SPSA) с двумя зашумленными наблюдениями для отслеживания оптимальной частоты и реализации нескольких алгоритмов на его основе. Кроме того, мы также решаем проблему аппаратной задержки между сигналом для ЦП об изменении частоты и ее фактическим обновлением. Поскольку ОС Android может использовать планировщик задач по умолчанию или планировщик с учетом энергопотребления, который способен использовать преимущества разнородных архитектур мобильных ЦП, таких как ARM big.LITTLE, мы также исследуем схему интеграции между предлагаемыми алгоритмами и планировщиками ОС. Представлена методология тестирования на основе моделей для сравнения разработанных алгоритмов с существующими, а также описан набор тестов, отражающий реальные сценарии использования. Наши эксперименты показывают, что алгоритм на основе SPSA хорошо работает с EAS с упрощенной схемой интеграции, демонстрируя производительность ЦП, сравнимую с другими алгоритмами DVFS с учетом энергопотребления, и снижение энергопотребления.
Бесплатно
Статья
Интеграция методологического базиса нескольких разных наук при междисциплинарных исследованиях является характерной чертой новых механизмов решения современных прикладных задач. Формируемые теоретические основы аэролимнологии, как нового научного направления, рассматриваются с точки зрения вклада в нее трех ключевых наук: лимнологии, информатики и робототехники. Приведены классификации методов и способов лимнологических исследований, воздушных робототехнических средств, информационных технологий, перспективных для решения задач в области аэролимнологии. Задача научного направления аэролимнологии формулируется как изучение возможностей и ограничений комбинированных способов дистанционного сенсорного измерения, роботизированного пробоотбора и аналитического исследования параметров экосистем пресных водоемов для мониторинга и предсказания динамики их развития. Среди основных направлений аэролимнологических исследований выделены: построение ортофотопланов и фотограмметрических пространственных моделей рельефа дна и отдельных элементов донного ландшафта и прибрежной зоны разного масштаба; геолого-геофизическое картирование подводной части береговой зоны; изучение фитопланктона, в частности «цветения» воды, вызванного цианобактериями; исследование распределения и миграций крупных представителей гидрофауны; изучение температурных полей и процессов перераспределения водных масс. Обсуждаются ограничения, накладываемые на использование беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) при пробоотборе и мониторинге прибрежных водных территорий, прежде всего погодно-климатические, временные, пространственные, технические. Преимущество использования беспилотных летательных аппаратов в аэролимнологии обосновывается увеличением скорости получения данных, возможностью подлета к труднодоступным и территориально удаленным объектам, снижением влияния человеческого фактора. Научная новизна представленного исследования состоит в попытке интеграции междисциплинарных знаний при использовании беспилотных летательных аппаратов и обработке полученных данных на основе технологий искусственного интеллекта при изучении лимнологических объектов и процессов. Отмечается важная роль геоинформационных систем и приводятся примеры карт типизации берегов и геоморфологии Ладожского озера, размещенные на сайте Центра коллективного пользования научным оборудованием «Северо-Западный центр мониторинга и прогнозирования развития территорий» СПБ ФИЦ РАН. Рассматриваются основные этапы методологии проведения аэролимнологических исследований с применением междисциплинарных подходов на основе лимнологии, информатики и робототехнических средств, функционирующих в разных средах.
Бесплатно
О целесообразности и возможностях аппроксимации звена с чистым запаздыванием
Статья
При решении задач управления объектом с запаздыванием часто необходимо аппроксимировать звено чистого запаздывания минимально фазовым звеном, чтобы обеспечить возможность использования аналитических методов для проектирования регулятора. Существует множество методов аппроксимации, основанных на разложении в ряд Тейлора, а также модифицированных методов. Наиболее известен метод аппроксимации Паде. Известные методы аппроксимации имеют существенные недостатки, которые выявляет данная работа. Однако существуют и другие способы формирования других типов фильтров, которые могут служить лучшим приближением при определении соотношения задержек, хотя они и не используются для этих целей. В частности, известны способы формирования искомого дифференциального уравнения замкнутой системы заданного порядка методом численной оптимизации. В этом случае замкнутая система ведет себя как фильтр соответствующего порядка, числитель которого равен единице, а указанный полином стоит в знаменателе. Моделирование показало, что такой фильтр является эффективной альтернативной аппроксимацией звена задержки и может использоваться для тех же целей, для которых предполагалось использовать аппроксимацию Паде. Полиномиальные коэффициенты в литературе рассчитывались только до 12-го порядка. Чем выше порядок полинома, тем точнее аппроксимация.
Бесплатно
