Статьи журнала - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Все статьи: 177
О частичной устойчивости нелинейных дискретных систем с запаздыванием
Статья
Рассматривается система нелинейных дискретных (конечно-разностных) уравнений общего вида с ограниченным запаздыванием. Интерес к задачам устойчивости таких систем в последние годы значительно возрос; в частности, это связано с актуальными проблемами управления через сеть. В основном анализируется задача устойчивости по всем переменным нулевого положения равновесия, поскольку заменой переменных к такой задаче сводится задача устойчивости по всем переменным любого решения рассматриваемой системы. Одним из основных методов исследования является дискретно-функциональный вариант прямого метода Ляпунова, получивший существенное развитие в теоретическом и прикладном аспектах. В данной статье предполагается, что рассматриваемая система уравнений допускает «частичное» (нулевое) положение равновесия, и ставится задача устойчивости по отношению к части определяющих это положение равновесия переменных. Такая задача относится к более общим задачам частичной устойчивости, которые исследуются для нелинейных динамических систем различной формы математического описания. Предложенная постановка задачи частичной устойчивости дополняет круг указанных исследований применительно к классу рассматриваемых систем. Для решения поставленной задачи применяется метод функционалов Ляпунова – Красовского в пространстве дискретных функций при соответствующей конкретизации требований к функционалам. Ослабления таких требований можно добиться введением дополнительных дискретных функций, посредством которых: 1) проводится корректировка области функционального пространства, где строятся функционалы Ляпунова – Красовского; 2) находятся оценки функционалов и их разностей (приращений) в силу рассматриваемой системы. В результате используемые функционалы и их разности (приращения) могут быть знакопеременными в области функционального пространства, обычно рассматриваемой при анализе частичной устойчивости. На основе предложенного подхода получены достаточные условия частичной устойчивости (асимптотической устойчивости) указанного вида. Особенности подхода показаны на примере двух классов нелинейных систем заданной структуры, для которых частичная устойчивости анализируется в пространстве параметров. При этом обращается внимание на целесообразность использования семейства функционалов.
Бесплатно
Статья
Использование пестицидов и загрязнение окружающей среды в садах можно значительно снизить, сочетая опрыскивание с переменной скоростью с пропорциональными системами управления. В настоящее время фермеры могут использовать опрыскивание с переменной скоростью для применения средств от сорняков только там, где они необходимы, что обеспечивает экологически чистые и экономичные химические средства для защиты растений. Кроме того, серьезной проблемой является ограничение использования пестицидов в качестве средств защиты растений (СЗР) при сохранении надлежащего отложения растительного покрова. Кроме того, автоматические опрыскиватели, которые регулируют норму внесения в соответствии с размером и формой садовых насаждений, показали значительный потенциал для сокращения использования пестицидов. Для автоматического распыления в существующем исследовании использовались искусственная нейронная сеть (ИНС) и машинное обучение. Кроме того, эффективность опрыскивания можно повысить за счет снижения потерь при распылении из-за осаждения на грунт и нецелевого сноса. Таким образом, это исследование включает в себя тщательное изучение существующих методов опрыскивания с переменной скоростью в садах. Помимо предоставления примеров их прогнозов и краткого рассмотрения влияния на параметры опрыскивания, в нем также представлены различные альтернативы предотвращению чрезмерного использования пестицидов и исследуются их преимущества и недостатки.
Бесплатно
Обмен навигационной информацией для оперативного управления дорожным движением
Статья
Снижение эффективности грузопассажирских перевозок в условиях городской инфраструктуры определяется ростом числа автомобилей, опережающим развитие сети дорог. Моделирование неравномерности потоков во времени (час пик) выявило ключевое значение интервала движения транспортных средств как фактора борьбы с эффектом аккумуляции при снижении средней скорости в условиях загруженности дорог. Снижение эффективного времени реакции водителя, определяющего предельную дистанцию между транспортными средствами, требует минимизации влияния человеческого фактора. Для автоматизации процесса (реализации беспилотного управления транспортом) необходимо обеспечить эффективный обмен навигационной и маршрутной информацией между участниками движения. Совокупности требований к системе информационного обмена лучше всего отвечает коммуникационно-навигационная система (КНС) на базе принципов широковещательной радиосвязи. Ее применение позволяет одновременно повысить и безопасность, и эффективность дорожного движения. Рост безопасности обеспечивается за счет повышения предсказуемости действий соседних участников движения. Для увеличения эффективности в зоне высокой плотности потоков формируются Центры управления транспортом (ЦУТ). Распределенные сети приемо-передающих станций ЦУТ образуют локальную систему позиционирования на принципах трилатерации. Алгоритмы верификации корректности работы бортовых навигационных средств и автоматического разрешения коммуникационных конфликтов обеспечивают высокую надежность функционирования КНС. Отказ от принципов абонентской радиосвязи обеспечивает ее работоспособность даже в условиях очень высокой плотности ТС (несколько тысяч на квадратный километр). В сочетании с передовыми технологиями организации дорожного движения (реализации решетки транспортных магистралей и режима «тотальной зеленой волны») КНС и ЦУТ способны обеспечить среднюю скорость в городских условиях более 45 км/ч. Совокупная экономия затрат на последнюю милю доставки в результате их внедрения оценивается на уровне единиц процентов ВВП даже без учета социальных и экологических эффектов только за счет снижения аварийности и сокращения числа пробок.
Бесплатно
Статья
Возможность подключения автономных транспортных средств к сетям порождает новые возможности для атак и, следовательно, потребность в развитии методов кибербезопасности. Таким образом, важно обеспечить, чтобы мониторинг сети в транспортном средстве включал в себя возможность точно обнаруживать вторжение и анализировать кибератаки на основе данных о транспортных средствах и журналов событий транспортных средств с учетом их конфиденциальности. В статье предложен и оценен метод, использующий характеризующую функцию и проведено его сравнение с подходом, основанным на искусственных нейронных сетей. Визуальный анализ соответствующих потоков событий дополняет оценку. Несмотря на то, что метод с характеризующей функцией на порядок быстрее, точность полученных результатов, по крайней мере, сравнима с таковой, полученной с помощью искусственной нейронной сети. Таким образом, этот метод представляет собой перспективный вариант для реализации во встраиваемых системах автомобиля. Кроме того, важным аспектом использования методов анализа в рамках кибербезопасности является объяснимость результатов обнаружения.
Бесплатно
Статья
Проанализированы предложенные ранее исследователями рекомендации по применению методов многомерного оценивания объектов. Отмечена слабая обоснованность этих рекомендаций, следующая из поверхностной систематизации методов многомерного оценивания. Рекомендации ориентированы не на классы задач многомерного оценивания объектов, а на различные области человеческой деятельности. Однако в каждой сфере человеческой деятельности имеет место широкий спектр задач оценивания объектов различной природы. В связи с этим признана актуальность более тщательной систематизации методов многомерного оценивания. Учитывая разноплановость методов многомерного оценивания, решено ограничиться систематизацией методов, применяющих оценочные функции, и на этой основе предложить общие рекомендации по их применению. Обзор методов многомерного оценивания с единой позиции потребовал уточнения применяемой в них терминологии. На основе формальной модели установлены отношения между понятиями «предпочтение», «критерий» и «показатель». Для выделения методов, применяющих оценочные функции, введено понятие целевого значения показателя. Относительно его расположения на шкале показателя введены понятия идеальной и реальной целей. Соответствующие этим целям критерии разделены на целевые и ограничительные. С применением предложенной терминологии проанализированы наиболее известные методы многомерного оценивания. Из них выделена группа методов, применяющих оценочные функции. Рассмотрены варианты оценочных функций, создаваемых на основе критерия и постулатов теории ценности и полезности. На основе сходства областей определения и значений различных оценочных функций установлена взаимосвязь между ними. Относительно целевого значения показателя они разделены на функции достижения цели и функции отклонения от цели. Показана взаимная дополнительность этих функций. Выделена группа функций отклонения от цели, которая позволяет упорядочивать объекты раздельно по штрафам и поощрениям относительно достижения реальной цели. Для отношения соответствия введено понятие нормы. На примере медицинских анализов показано практическое применение функций отклонения от нормы с применением как минимаксной, так и средневзвешенной обобщающей функции для установления рейтинга на множестве объектов. Выявленное в процессе исследования сходство и различие оценочных функций положено в основу классификации использующих их методов многомерного оценивания. Различие оценочных функций по трудоемкости их создания отражено в предложенной методике их применения.
Бесплатно
Статья
Оппортунистическая маршрутизация повысила эффективность и надежность в самоорганизующихся сетях когнитивной радиосвязи (CRAHN). Многие исследователи разработали модели оппортунистической маршрутизации, в том числе модель оппортунистической маршрутизации на базе карты спектра (SMOR), которая считается более эффективной моделью в этой области. Однако в SMOR существуют определенные ограничения, которые требуют внимания и устранения. В данной статье рассматривается проблема задержки и ухудшения коэффициента доставки пакетов из-за неучета пропускной способности сети. Чтобы решить эти проблемы, в базовой модели маршрутизации SMOR используется гибридный алгоритм оптимизации, состоящий из алгоритмов оптимизации Firefly и Grey Wolf. Разработанная таким образом гибридная модель маршрутизации SMOR на основе оптимизации Firefly и Grey-Wolf (HFGWOSMOR) повышает производительность за счет высокой локальной и глобальной поисковой оптимизации. Первоначально анализируется взаимосвязь между задержкой и пропускной способностью, а затем устанавливается совместная многолучевая связь. Предлагаемая модель маршрутизации также вычисляет значения энергии принимаемых сигналов в пределах порога полосы пропускания и периода времени, и, следовательно, проблемы с производительностью, обнаруженные в SMOR, решаются. Чтобы оценить её эффективность, предложенная модель сравнивается со SMOR и другими существующими моделями оппортунистической маршрутизации, которые показывают, что предлагаемая модель HFGWOSMOR работает лучше, чем другие модели.
Бесплатно
Статья
В статье разработано вычислительно эффективное алгоритмическое решение задачи оптимальной нелинейной фильтрации оценок информационного воздействия в обобщенной стохастической модели информационного противоборства. Сформированное решение применимо при наличии разнородных правил измерения параметров модели информационного противоборства, на основании которых формируется пара систем стохастических дифференциальных уравнений. Оценка информационного воздействия в модели оптимальной нелинейной фильтрации выполняется по критерию максимального правдоподобия по определяемой эволюции апостериорной условной функции плотности вероятности на заданном интервале наблюдения. Нахождение апостериорной условной функции плотности вероятности в заданный момент времени осуществляется с учетом теоремы сложения вероятностей, как вероятность суммы двух совместных событий, функции плотности которых устанавливаются из численного решения соответствующих робастных уравнений Дункана-Мортенсена-Закаи. Для первого события полагается, что первая система стохастических дифференциальных уравнений является уравнением состояния, а вторая - уравнением наблюдения. Для второго события устанавливается их определение в обратном порядке. Решение робастного уравнения Дункана-Мортенсена-Закаи выполнено в постановке спектрального метода Галёркина при дискретизации интервала наблюдения на подынтервалы и сведении исходного решения к численному рекуррентному исследованию последовательности подзадач по так называемому Yau-Yau’s алгоритму, предполагающему оценку вероятностной меры из решения прямого уравнения Колмогорова при ее последующей коррекции по наблюдению. Для выделения особенностей алгоритмической реализации составленного решения сформирован алгоритм оптимальной нелинейной фильтрации оценок информационного воздействия в обобщенной стохастической модели информационного противоборства при уточнении листинга исполняющей его функции, который представлен псевдокодом. Для выявления предпочтительности составленного алгоритмического решения по оптимальной нелинейной фильтрации оценок информационного воздействия проведена серия вычислительных экспериментов на тестовых выборках большого объема. Результат оценки информационного воздействия, получаемый по предложенному алгоритму, сравнен с определяемым решением: 1) по средневыборочным значением из моделей наблюдения; 2) ансамблевым расширенным фильтром Калмана; 3) алгоритмом фильтрации, предполагающим численное исследование уравнения Дункана-Мортенсена-Закаи. По проведенному апостериорному исследованию выделены количественные показатели, устанавливающие выигрыш составленного алгоритма и границы его применимости.
Бесплатно
Оптимизационный подход к выбору методов обнаружения аномалий в однородных текстовых коллекциях
Статья
Рассматривается задача обнаружения аномальных документов в текстовых коллекциях. Существующие методы выявления аномалий не универсальны и не показывают стабильный результат на разных наборах данных. Точность результатов зависит от выбора параметров на каждом из шагов алгоритма, и для разных коллекций оптимальны различные наборы параметров. Не все из существующих алгоритмов обнаружения аномалий эффективно работают с текстовыми данными, векторное представление которых характеризуется большой размерностью при сильной разреженности. Задача поиска аномалий рассматривается в следующей постановке: требуется проверить новый документ, загружаемый в прикладную интеллектуальную информационную систему (ПИИС), на соответствие хранящейся в ней однородной коллекции документов. В ПИИС, обрабатывающих юридически значимые документы, на методы обнаружения аномалий накладываются следующие ограничения: высокая точность, вычислительная эффективность, воспроизводимость результатов, а также объяснимость решения. Исследуются методы, удовлетворяющие этим условиям. В работе изучается возможность оценки текстовых документов по шкале аномальности путем внедрения в коллекцию заведомо инородного документа. Предложена стратегия обнаружения в документе новизны по отношению к коллекции, предполагающая обоснованный подбор методов и параметров. Показано, как на точность решения влияет выбор вариантов векторизации, принципов токенизации, методов снижения размерности и параметров алгоритмов поиска аномалий. Эксперимент проведен на двух однородных коллекциях нормативно-технических документов: стандартов в отношении информационных технологий и в сфере железных дорог. Использовались подходы: вычисление индекса аномальности как расстояния Хеллингера между распределениями близости документов к центру коллекции и к инородному документу; оптимизация алгоритмов поиска аномалий в зависимости от методов векторизации и снижения размерности. Векторное пространство строилось с помощью преобразования TF-IDF и тематического моделирования ARTM. Тестировались алгоритмы Isolation Forest (изолирующий лес), Local Outlier Factor (локальный фактор выброса), OneClass SVM (вариант метода опорных векторов). Эксперимент подтвердил эффективность предложенной оптимизационной стратегии для определения подходящего метода обнаружения аномалий для заданной текстовой коллекции. При поиске аномалии в рамках тематической кластеризации юридически значимых документов эффективен метод изолирующего леса. При векторизации документов по TF-IDF целесообразно подобрать оптимальные параметры словаря и использовать метод опорных векторов с соответствующей функцией преобразования признакового пространства.
Бесплатно
Оптимизация размера ансамбля регрессоров
Статья
Алгоритмы обучения ансамблей, такие как bagging, часто генерируют неоправданно большие композиции, которые, помимо потребления вычислительных ресурсов, могут ухудшить обобщающую способность. Обрезка (pruning) потенциально может уменьшить размер ансамбля и повысить точность; однако большинство исследований сегодня сосредоточены на использовании этого подхода при решении задачи классификации, а не регрессии. Это связано с тем, что в общем случае обрезка ансамблей основывается на двух метриках: разнообразии и точности. Многие метрики разнообразия разработаны для задач, связанных с конечным набором классов, определяемых дискретными метками. Поэтому большинство работ по обрезке ансамблей сосредоточено на таких проблемах: классификация, кластеризация и выбор оптимального подмножества признаков. Для проблемы регрессии гораздо сложнее ввести метрику разнообразия. Фактически, единственной известной на сегодняшний день такой метрикой является корреляционная матрица, построенная на предсказаниях регрессоров. Данное исследование направлено на устранение этого пробела. Предложено условие, позволяющее проверить, включает ли регрессионный ансамбль избыточные модели, т. е. модели, удаление которых улучшает производительность. На базе этого условия предложен новый алгоритм обрезки, который основан на декомпозиции ошибки ансамбля регрессоров на сумму индивидуальных ошибок регрессоров и их рассогласованность. Предложенный метод сравнивается с двумя подходами, которые напрямую минимизируют ошибку путем последовательного включения и исключения регрессоров, а также с алгоритмом упорядоченного агрегирования (Ordered Aggregation). Эксперименты подтверждают, что предложенный метод позволяет уменьшить размер ансамбля регрессоров с одновременным улучшением его производительности и превосходит все сравниваемые методы.
Бесплатно
Открытие чёрного ящика: Извлечение семантических факторов Осгуда из языковой модели word2vec
Статья
Современные модели искусственного интеллекта развиваются в парадигме чёрного ящика, когда значима только информация на входе и выходе системы, тогда как внутренние представления интерпретации не имеют. Такие модели не обладают качествами объяснимости и прозрачности, необходимыми во многих задачах. Статья направлена на решение данной проблемы путём нахождения семантических факторов Ч. Осгуда в базовой модели машинного обученния word2vec, представляющей слова естественного языка в виде 300-мерных неинтерпретируемых векторов. Искомые факторы определяются на основе восьми семантических прототипов, составленных из отдельных слов. Ось оценки в пространстве word2vec находится как разность между положительным и отрицательным прототипами. Оси силы и активности находятся на основе шести процессно-семантических прототипов (восприятие, анализ, планирование, действие, прогресс, оценка), представляющих фазы обобщённого кругового процесса в данной плоскости. Направления всех трёх осей в пространстве word2vec найдены в простой аналитической форме, не требующей дополнительного обучения. Как и ожидается для независимых семантических факторов, полученные направления близки к попарной ортогональности. Значения семантических факторов для любого объекта word2vec находятся с помощью простой проективной операции на найденные направления. В соответствии с требованиями к объяснимому ИИ, представленный результат открывает возможность для интерпретации содержимого алгоритмов типа "чёрный ящик'' в естественных эмоционально-смысловых категориях. В обратную сторону, разработанный подход позволяет использовать модели машинного обучения в качестве источника данных для когнитивно-поведенческого моделирования.
Бесплатно
Оценивание информативности признаков в наборах данных для проведения продлённой аутентификации
Статья
Продлённая аутентификация позволяет избавиться от недостатков, присущих статической аутентификации, например, идентификаторы могут быть потеряны или забыты, пользователь совершает только первоначальный вход в систему, что может быть опасно не только для областей, требующих обеспечения высокого уровня безопасности, но и для обычного офиса. Динамическая проверка пользователя во время всего сеанса работы может повысить безопасность системы, поскольку во время работы пользователь может подвергнуться воздействию со стороны злоумышленника (например, быть атакованным) или намеренно передать ему права. В таком случае оперировать машиной будет не пользователь, который выполнил первоначальный вход. Классификация пользователей во время работы системы позволит ограничить доступ к важным данным, которые могут быть получены злоумышленником. Во время исследования были изучены методы и наборы данных, использующихся для продлённой аутентификации. Затем был сделан выбор наборов данных, которые использовались в дальнейшем исследовании: данные о движении смартфона и смарт-часов (WISDM) и динамике активности мыши (Chao Shen’s, DFL, Balabit). Помочь улучшить результаты работы моделей при классификации может предварительный отбор признаков, например, через оценивание их информативности. Уменьшение размерности признаков позволяет снизить требования к устройствам, которые будут использоваться при их обработке, повысить объём перебора значений параметров классификаторов при одинаковых временных затратах, тем самым потенциально повысить долю правильных ответов при классификации за счёт более полного перебора параметров значений. Для оценивания информативности использовались метод Шеннона, а также алгоритмы, встроенные в программы для анализа данных и машинного обучения (WEKA: Machine Learning Software и RapidMiner). В ходе исследования были выполнены расчёты информативности каждого признака в выбранных для исследования наборах данных, затем с помощью RapidMiner были проведены эксперименты по классификации пользователей с последовательным уменьшением количества используемых при классификации признаков с шагом в 20%. В результате была сформирована таблица с рекомендуемыми наборами признаков для каждого набора данных, а также построены графики зависимостей точности и времени работы различных моделей от количества используемых при классификации признаков.
Бесплатно
Оценка возможностей орбитальных оптических средств по получению информации о космических объектах
Статья
Цель исследования заключается в выборе оптимальных условий сбора некоординатной информации о космическом объекте орбитальным оптическим средством при прохождении обоими объектами окрестностей точек минимального расстояния между их орбитами. Для достижения указанной цели предложен количественный показатель, характеризующий меру возможности получения некоординатной информации о космическом объекте с требуемым уровнем качества. Аргументами функции, характеризующей вводимый показатель, являются: расстояние между объектами; относительная скорость объектов; фазовый угол освещенности космического объекта Солнцем по отношению к оптико-электронному средству; длительность интервала времени, в течение которого оба объекта находятся в окрестности точки минимума расстояния между их орбитами. Расчет величины показателя обеспечивается решением трех частных задач исследования. Первая задача – поиск окрестностей, включающих минимальные расстояния между орбитами космического объекта и орбитального оптического средства. Для ее решения используется быстрый алгоритм расчета минимального расстояния между орбитами, при этом осуществляется прогноз дрейфа найденных окрестностей на интервале времени до 60 часов. Вторая задача – оценка характеристик движения и условий оптической видимости космического объекта в окрестностях точек минимума расстояния между его орбитой и орбитой оптического средства. Решение данной задачи осуществляется средствами имитационного моделирования с использованием библиотеки прогноза движения космических объектов SGP4. Третья задача – обоснование и расчет показателя, характеризующего меру возможности получения некоординатной информации о космическом объекте. Для решения данной задачи разработана система правил нечеткого логического вывода, которая используется в качестве входных данных алгоритма Мамдани. Рассматриваемая методика реализована программно, в ходе вычислительного эксперимента проведена оценка возможности получения некоординатной информации по низкоорбитальным и геостационарным космическим объектам. Применение предложенного показателя обеспечивает повышение результативности процедуры сбора некоординатной информации о космических объектах за счет выбора наиболее информативных альтернатив контроля космических объектов из доступного множества возможных наблюдений на заданном интервале планирования сбора информации о космических объектах.
Бесплатно
Оценка методов скелетизации двумерных бинарных изображений
Статья
В сфере современной обработки изображений упор часто делается на инженерные подходы, а не на научные решения разнообразных практических задач. Одна из распространенных задач в этой области включает скелетирование бинарных изображений. Скелетонизация — это мощный процесс извлечения скелета объектов, находящихся в цифровом бинарном изображении. Этот процесс широко используется для автоматизации многих задач в различных областях, таких как распознавание образов, техническое зрение, анимация и анализ изображений. Существующие методы скелетизации в принципе основаны на трех подходах: эрозии границ, дистанционном кодировании и диаграмме Вороного для идентификации приблизительного скелета. В работе представлены результаты эмпирического оценивания набора хорошо известных методов. Затем выполнен расчет скелетов в двумерном бинарном изображении c выбором различных подходов и оценкой их эффективности. Визуальная оценка – это основной метод, используемый для демонстрации производительности выбранных алгоритмов скелетирования. Из-за отсутствия окончательного определения «истинного» скелета цифрового объекта точная оценка эффективности алгоритмов скелетирования представляет собой серьезную исследовательскую задачу. Были попытки проведения количественной оценки, однако применяемые меры обычно адаптировали для конкретных областей. Экспериментальные результаты, показанные в этой работе, иллюстрируют эффективность трех основных подходов к скелетизации изображений в различных перспективных приложениях.
Бесплатно
Статья
Оценка рисков информационной безопасности является важнейшим компонентом методов промышленного менеджмента, который помогает выявлять, количественно определять и оценивать риски в сравнении с критериями принятия рисков и целями, относящимися к организации. Благодаря своей способности комбинировать несколько параметров для определения общего риска традиционный метод оценки рисков, основанный на нечетких правилах, используется во многих отраслях промышленности. Этот метод имеет недостаток, поскольку он используется в ситуациях, когда необходимо оценить несколько параметров, и каждый параметр выражается различным набором лингвистических фраз. В этой статье представлены теория нечетких множеств и модель прогнозирования рисков с использованием искусственной нейронной сети (ANN), которые могут решить рассматриваемую проблему. Также разработан алгоритм, который может изменять факторы, связанные с риском, и общий уровень риска с нечеткого свойства на атрибут с четким значением. Система была обучена с использованием двенадцати выборок, представляющих 70%, 15% и 15% набора данных для обучения, тестирования и валидации соответственно. Кроме того, также была разработана пошаговая регрессионная модель, и ее результаты сравниваются с результатами ANN. С точки зрения общей эффективности, модель ANN (R2= 0,99981, RMSE=0,00288 и MSE=0,00001) показала лучшую производительность, хотя обе модели достаточно удовлетворительны. Делается вывод, что модель ANN, прогнозирующая риск, может давать точные результаты до тех пор, пока обучающие данные учитывают все мыслимые условия.
Бесплатно
Статья
Спектральный анализ сигналов используется как один из основных методов исследования систем и объектов различной физической природы. В условиях статистической неопределенности сигналы подвергаются случайным изменениям и зашумлениям. Анализ таких сигналов приводит к необходимости оценивания спектральной плотности мощности (СПМ). На практике для её оценивания широко используется периодограммный метод. Основу цифровых алгоритмов, реализующих этот метод, составляет дискретное преобразование Фурье. В этих алгоритмах операции цифрового умножения являются массовыми операциями. Применение оконных функций ведет к увеличению числа этих операций. Операции умножения относятся к наиболее трудоемким операциям. Они являются доминирующим фактором при определении вычислительных возможностей алгоритма и определяют его мультипликативную сложность. В статье рассматривается задача снижения мультипликативной сложности вычисления периодограммной оценки СПМ с применением оконных функций. Задача решается на основе использования бинарно-знакового стохастического квантования для преобразования сигнала в цифровую форму. Такое двухуровневое квантование сигналов осуществляется без систематической погрешности. На основе теории дискретно-событийного моделирования, результат бинарно-знакового стохастического квантования во времени рассматривается как хронологическая последовательность существенных событий, определяемых сменой его значений. Использование дискретно-событийной модели для результата бинарно-знакового стохастического квантования обеспечило аналитическое вычисление операций интегрирования при переходе от аналоговой формы периодограммной оценки СПМ к математическим процедурам ее вычисления в дискретном виде. Эти процедуры стали основой для разработки цифрового алгоритма. Основными вычислительными операциями алгоритма являются арифметические операции сложения и вычитания. Уменьшение количества операций умножения снижает общую вычислительную трудоемкость оценивания СПМ. С целью исследования работы алгоритма были проведены численные эксперименты. Они осуществлялись на основе имитационного моделирования дискретно-событийной процедуры бинарно-знакового стохастического квантования. В качестве примера приведены результаты вычисления оценок СПМ с применением ряда наиболее известных оконных функций. Полученные результаты свидетельствуют, что использование разработанного алгоритма позволяет вычислять периодограммные оценки СПМ с высокой точностью и частотным разрешением в условиях присутствия аддитивного белого шума при низком отношении сигнал/шум. Практическая реализация алгоритма осуществлена в виде функционально самостоятельного программного модуля. Данный модуль может использоваться как отдельный компонент в составе комплексного метрологически значимого программного обеспечения для оперативного анализа частотного состава сложных сигналов.
Бесплатно
Перформативная платформа и ее применение для высокотехнологичного образовательного сообщества
Статья
В этой статье используется всеохватывающая концепция сообществ для выражения социальных контекстов, в которых осуществляется человеческое творчество и происходит обучение. С появлением цифровых технологий эти социальные контексты, сообщества, в которых мы задействованы, радикально меняются. Новый ландшафт, созданный цифровыми технологиями, характеризуется новыми качествами, новыми возможностями для действий сообществ. Термин onlife заимствован из Манифеста Onlife и используется для обозначения сообществ нового типа, созданных современными цифровыми технологиями - сообществ onlife. Представлены принципы проектирования, направленные на развитие таких сообществ и поддержку их членов. Эти принципы составляют основу, которая подчеркивает концепцию перформативности, то есть то, что знания основаны на деятельности человека и действиях, выполняемых в определенных социальных контекстах, а не на развитии концептуальных представлений. Чтобы продемонстрировать использование структуры и соответствующих принципов, в статье представлено, как их можно использовать для анализа, оценки и переформулирования конкретной системы, относя ее к творчеству и обучению в области культурного наследия (преподавание и изучение истории). Одним из наиболее значительных результатов является принятие принципов, которые облегчают вовлечение студентов в учебный процесс, переходя от роли конечного пользователя к роли эксперта-пользователя при поддержке так называемых maieuta-дизайнеров. Результатом этого процесса является использование изученного программного обеспечения не только для потребления готового контента, но и для создания нового, сгенерированного студентами контента, предлагающего студентам новые возможности для обучения. Как показывает оценка, эти новые возможности обучения позволяют студентам развивать более глубокое понимание изучаемых тем.
Бесплатно
Повышение точности IP-геолокации на основе данных, предоставляемых открытыми IP-геосервисами
Статья
IP-геолокация – это процесс определения реального географического положения электронного устройства, подключенного к сети Интернет, по его глобальному сетевому адресу [1]. В настоящее время она нашла широкое применение в интернет-торговле, маркетинге и рекламе, информационной безопасности [2] и других направлениях человеческой деятельности. Применяются различные подходы к определению местоположения удаленного сетевого устройства, различающиеся как по типу анализируемой информации (задержка передачи пакетов, ресурсные записи DNS-серверов, контент веб-страниц), так и по выдаваемому результату (название страны или города, почтовый адрес, вероятная зона расположения или точные координаты) [3, 4]. Ошибка IP-геолокации зависит от страны расположения устройства, плотности населения, типа сетевого устройства и лежит в пределах от нескольких десятков метров до сотен километров. При этом для одних и тех же входных данных результаты разных IP-геосервисов могут различаться значительно. Объектом данного исследования выступают общедоступные IP-геосервисы, предоставляющие услуги по IP-геопривязке узлов глобальной сети на основе их IP-адресов, а именно – их точность и полнота. Выборка IP-геосервисов для тестирования были сформирована из числа наиболее популярных [5]. При проведении исследования результаты IP-геолокации сравнивались с достоверными сведениями о расположении некоторых IP-адресов, в качестве показателей точности использовались страна, город и географические координаты. На основе сравнительного анализа результатов тестирования были сделаны выводы о точности IP-геосервисов по выбранным показателям, их существенных свойствах, а также о зависимости ошибки геолокации от размера населенного пункта. Для повышения точности IP-геопривязки авторами предложен ансамблевый метод усреднения координат, полученных от нескольких IP-геосервисов.
Бесплатно
Статья
Для решения задач наблюдения за обстановкой на водной поверхности, примыкающей к приграничным районам суши, используют загоризонтные радиолокационные средства поверхностной волны. Основным достоинством указанных средств является возможность обнаружения надводных объектов за пределами оптического горизонта за счет распространения электромагнитной волны вдоль морской поверхности в дифракционной зоне. Однако точностные характеристики подобных наблюдений оказываются крайне низкими в силу малых отношений сигнал/шум отраженного сигнала, которые обусловлены, в свою очередь, широкой диаграммой направленности существующих антенных систем. Это приводит к превалированию в облученной области отражения от фона над радиоэхом лоцируемого объекта. По этой же причине оказываются необнаруживаемыми неподвижные цели, по которым отсутствует доплеровский сдвиг частот в спектре отраженного сигнала. Единственным способом увеличения отношения сигнал/шум является сужение диаграммы направленности (увеличение коэффициента направленного действия антенной системы). Предлагается решение поставленной задачи по пути последовательного накапливания отраженных сигналов и их суммирования по принципу оптимизационного подбора фазовых соотношений для соседних импульсов (синтезируемых апертур), которые соответствуют эвентуальному фронту электромагнитных волн, сфокусированному в направлении гипотетической цели. Решение данной задачи позволит существенно сузить диаграмму направленности антенны, что открывает возможности устранения влияния фона за счет радикального уменьшения площади облучаемой поверхности в процессе фокусировки луча при синтезировании виртуальной апертуры. При этом нет необходимости в изменении конструкции антенных решеток. Выполнено компьютерное моделирование синтезированной антенной решетки и построена ее диаграмма направленности. Проведена количественная оценка степени повышения углового разрешения по сравнению с потенциально возможным, определенным по критерию Релея. Данное обстоятельство поз воляет рассмотреть возможность использования береговых загоризонтных радиолокационных станций поверхностной волны для обнаружения «невидимых» существующими локаторами неподвижных объектов.
Бесплатно
Подход к интеграции разнородных источников медицинских данных на основе микросервисной архитектуры
Статья
Задача обработки медицинской информации в настоящее время в нашей стране и за рубежом решается посредством разнородных медицинских информационных систем, преимущественно локального и регионального уровней. Постоянно возрастающий объем и сложность накапливаемой информации наряду с необходимостью обеспечения прозрачности и преемственности обработки медицинских данных (в частности, к примеру, по бронхолегочным заболеваниям) в различных организациях требует разработки нового подхода к интеграции их разнородных источников. При этом важным требованием к решению поставленной задачи является возможность веб-ориентированной реализации, что позволит сделать соответствующие приложения доступными широкому кругу пользователей без высоких требований к их аппаратно-программным возможностям. В работе рассматривается подход к интеграции разнородных источников медицинской информации, который основан на принципах построения микросервисных веб-архитектур. Каждый модуль обработки данных может быть использован независимо от других программных модулей, предоставляя универсальную точку входа и результирующий набор данных в соответствии с принятой схемой данных. Последовательное выполнение этапов обработки предполагает передачу управления соответствующим программным модулям в фоновом режиме по принципу Cron. В схеме декларируется два вида схем данных – локальная (от медицинских информационных систем) и глобальная (для единой системы хранения), между которыми предусмотрены соответствующие параметры отображения по принципу построения XSLT-таблиц. Важной отличительной особенностью предлагаемого подхода представляется модернизация системы хранения медицинской информации, заключающейся в создании зеркальных копий основного сервера с периодической репликацией соответствующей информации. При этом взаимодействие между клиентами и серверами хранилищ данных осуществляется по типу систем доставки контента с созданием сеанса соединения между конечными точками по принципу ближайшего расстояния между ними, рассчитанного по формуле гаверсинусов. Проведенные вычислительные эксперименты над тестовыми данными по бронхолегочным заболеваниям показали эффективность предложенного подхода как для загрузки данных, так и для их получения отдельными пользователями и программными системами. В целом показатель реактивности соответствующим веб-ориентированных приложений был улучшен на 40% при стабильном соединении.
Бесплатно
Подход к локализации источника эпидемии COVID-19 в России на основе математического моделирования
Статья
В статье описаны результаты обработки статистических данных из открытых источников по развитию эпидемии COVID-19 и выполненного исследования по определению места и времени начала ее в России. В интересах предлагаемого исследования дан обзор существующих моделей процессов развития эпидемии и методов решения прямых и обратных задач его анализа. Предложена модель развития эпидемии COVID-19 в сети из девяти городов России: Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Краснодар, Екатеринбург, Новосибирск, Хабаровск, Владивосток. Города выбраны как по географическому положению, так и по количеству населения в них. Модель состоит из двадцати семи дифференциальных уравнений. Разработан алгоритм обратного анализа модели эпидемии. В качестве исходных данных для решения задачи выступали сведения по численности населения городов, интенсивности переходов процесса из одних состояний в другие, а также данные по инфицированности населения на заданные моменты времени. В статье также приводятся результаты детального анализа подходов решения к моделированию развития эпидемий по видам моделей (базовая модель SEIR, модель SIRD, адаптивная поведенческая модель, модифицированные SEIR-модели), и по странам (в Польше, во Франции, Испании, Греции и других), а также обзор прикладных задач, которые можно решить, используя моделирование распространения эпидемий. Рассматриваются дополнительные параметры среды, которые влияют на моделирование распространения эпидемий и могут учитываться для повышения точности результатов. По результатам моделирования установлены наиболее вероятные города-источники начала эпидемии в России, а также момент ее начала. Достоверность полученных оценок во многом определяется достоверностью использованных статистических данных по развитию COVID-19, находящихся в открытом доступе.
Бесплатно
