Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Статья научная
Введение. Статья посвящена решению задачи идентификации телевизионных изображений при создании автономных роботов, систем технического зрения и систем анализа изображений с помехами. Речь идет, например, о сложных условиях наблюдения, затрудняющих процесс регистрации, и об отсутствии априорных сведений относительно вида фоновых шумов. Цель исследования - разработка и оценка эффективности метода выделения контуров изображения (двумерного сигнала) на фоне импульсных шумов с использованием математического аппарата кубических В-сплайнов. Материалы и методы. При наличии интенсивных фоновых шумов сплайн-аппроксимация дискретных значений сигналов и изображений, как правило, непродуктивна и приводит к большим погрешностям. При этом метод дифференцирования строки изображения на фоне шума позволяет с достаточной точностью вычислить производную сигнала. С учетом информации о поведении первой производной определены локальные максимумы в строке изображения на фоне шума. Задача выделения контуров телевизионных изображений решена новым методом сплайн-дифференцирования. Для этого матрица изображения разбита на строки и столбцы, выполнено дифференцирование, и затем вычислены операторы выделения контуров. В отличие от известных подходов при дифференцировании учтена информация об интенсивности во всей строке изображения. Это позволяет минимизировать влияние шума. Контуры изображения определены с использованием градиента интенсивности. Полученный алгоритм сплайн-дифференцирования использован для математического моделирования. Результаты исследования. Авторы данной работы впервые предложили высокоточный метод цифрового дифференцирования двумерных сигналов. Такой подход позволяет с достаточно высокой точностью вычислять значения производной двумерного сигнала и его градиент. При этом нет необходимости пользоваться стандартными процедурами численного дифференцирования, которые сами по себе являются некорректными. Тестовое изображение Lena, искаженное импульсными шумами «битые пиксели» и «соль-перец», обработано оператором Собеля и методом сплайн-дифференцирования. Значения еско, SNR и SNRF сведены в таблицы и проанализированы. Для тестового изображения Lena выигрыш в децибелах составил: по СКО еско - 1,6÷2,7; по отношению пиковый сигнал/шум SNR - 8÷9,4; по отношению пиковый сигнал/шум по СКО фона SNRF - 11÷12. Обсуждения и заключения. В условиях стремительного развития микропроцессорной техники по-новому применяются задачи, решаемые с помощью систем технического зрения. Это подтверждает актуальность исследований в области повышения эффективности и устойчивости методов и алгоритмов цифровой обработки двумерных сигналов. Эксперименты показали, что представленный метод имеет значительно более высокую помехоустойчивость, чем алгоритмы, основанные на стандартных процедурах дифференцирования.
Бесплатно
Идентификация функции активности пользователей социальной сети в линейной диффузионной модели
Статья научная
Введение. Повышение точности математических моделей распространения информации в социальных сетях напрямую связано с возможностью корректной идентификации их параметров. Во многих работах фундаментальную сложность этой задачи фактически обходят, подменяя прямую идентификацию искомых функций подбором параметров их эвристических аппроксимаций, что неизбежно приводит к снижению как точности, так и универсальности модели. В линейной диффузионной модели, описывающей пространственно-временную динамику распространения информации, одним из ключевых параметров выступает функция, характеризующая активность пользователей. Целью данного исследования является разработка и численная реализация алгоритма прямой параметрической идентификации функции активности пользователей на основе прямого экстремального подхода, позволяющего полностью отказаться от эвристических аппроксимаций, а также оценка его вычислительной эффективности в сопоставлении с классическим градиентным методом. Материалы и методы. Для решения задачи параметрической идентификации был использован прямой экстремальный подход. В отличие от классического метода наискорейшего спуска, предложенный метод с регулируемым направлением спуска адаптирует траекторию поиска к локальным особенностям функционала качества за счет введения параметра регулирования. Численное решение прямой и сопряженной задач осуществлено по неявной конечно-разностной схеме. Верификация метода проводилась на синтетических данных. Результаты исследования. Для алгоритма идентификации получено аналитическое выражение градиента целевого функционала через решение сопряженной задачи. Установлены границы идентифицируемости искомого параметра, обусловленные инерционностью диффузионного процесса и временем установления реакции сети. Проведено сравнительное исследование градиентных алгоритмов. Классический метод наискорейшего спуска продемонстрировал медленную и неравномерную сходимость, потребовав для достижения критерия остановки 13 217 итераций, тогда как метод с регулируемым направлением спуска обеспечил сходимость к тому же уровню точности за 376 итераций. Обсуждение. Полученные результаты подтверждают теоретические предпосылки о необходимости учета пространственной неоднородности градиента функционала при решении бесконечномерных задач оптимизации. Классический градиентный метод демонстрирует низкую эффективность при восстановлении нестационарных параметров вследствие неоднородности градиента, в то время как метод с регулируемым направлением спуска позволяет достичь равномерной и быстрой сходимости. Это свидетельствует о том, что адаптация алгоритма к специфике бесконечномерной задачи является ключевым фактором успеха. Основной вклад исследования заключается в развитии вычислительного аппарата для прямого определения функциональных параметров, что расширяет методологический арсенал анализа систем, описываемых уравнениями в частных производных. Заключение. Основными результатами работы являются разработка и верификация эффективного алгоритма прямой идентификации функции активности пользователей в линейной диффузионной модели социальной сети. Практическая значимость состоит в создании более точных и интерпретируемых инструментов для моделирования информационных потоков без привлечения априорных аппроксимаций. Разработанный алгоритм продемонстрировал значительное преимущество по скорости и характеру сходимости. Тем не менее, интерпретация физического смысла идентифицируемой функции в рамках данной модели требует дальнейшего развития. Перспективным направлением является применение метода к более совершенным моделям, учитывающим пространственную неоднородность активности пользователей, а также его расширение на идентификацию вектора функций.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Сформулировано решение задачи повышения эффективности системы защиты информации на предприятии путем своевременного выявления существенных факторов, влияющих на уровень информационной безопасности. Целью работы является разработка имитационной модели, отражающей влияние различных факторов, обусловленных показателями перспективности выбранной области деятельности организации, на эффективность функционирования системы защиты информации. Материалы и методы. Имитационная модель реализована с использованием техники системной динамики в виде потоковой диаграммы. В качестве исходных данных предложено использовать обобщенные экспертные оценки перспективности направления деятельности. В модели применяются три системных уровня, которые определяют переменные состояния системы: степень эффективности системы защиты информации, бюджет организации на средства защиты информации и оценка качеств потенциальных нарушителей информационной безопасности. Также вводятся дополнительные параметры и переменные разрабатываемой модели: ценность информации, обрабатываемой в организации; оценка количества инцидентов информационной безопасности; текущие затраты на систему защиты информации; постоянный бюджет на систему защиты информации. Результаты исследования. В качестве среды имитационного моделирования был выбран пакет Vensim. Анализ результатов моделирования показал, что характеристики области деятельности и качество информации, циркулирующей в информационной системе предприятия, напрямую определяют интерес со стороны потенциальных нарушителей, что приводит к необходимости четкого планирования и корректировки затрат на систему защиты информации. Таким образом, продемонстрирована возможность практического использования разработанной модели для оценки уровня информационной безопасности предприятий, осуществляющих свою деятельность в любой области. Отмечена необходимость привлечения экспертов с целью формирования оценок показателей перспективности возможных областей деятельности конкретной организации, проведения аудита ее системы защиты. Обсуждение и заключения. Реализация имитаций разработанной модели с различными начальными условиями и входными данными позволила определить динамику изменения информационной безопасности, обеспечить своевременное и эффективное развитие системы защиты, поддержку принятия решений специалистами службы безопасности при планировании расходов на защиту информации и изменений политики безопасности организации.
Бесплатно
Интегральное уравнение для численного решения стационарных квантово-механических задач
Статья научная
Целью работы является описание метода численного решения стационарного уравнения Шредингера, основанного на использовании интегрального уравнения, тождественного уравнению Шредингера. По своей структуре это интегральное уравнение близко к уравнению Фредгольма второго рода и допускает получение численного решения задачи. Рассматриваемый метод позволяет находить собственные значения энергии и собственные решения для квантово-механических задач различной размерности. Приведены результаты тестирования метода при решении задачи для одномерного и двумерного квантового осциллятора. Найденные численным методом значения собственных энергий и собственных функций осциллятора сравнивались с известными аналитическими решениями, затем оценивалась погрешность результата. Наибольшая точность решения получена для первых энергетических уровней. Погрешность численного решения возрастает с номером собственного значения энергии. Для последующего энергетического уровня погрешность увеличивается почти на порядок. Для четвертого энергетического уровня при разбиении области интегрирования на 500 элементов погрешность решения для собственных функций не превосходит 2%. Если энергетический уровень является вырожденным, то существует возможность получения всех собственных функций, соответствующих данному уровню. Для этого используются различные вспомогательные функции, симметрия которых согласуется с симметрией собственной функции.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Управление подводными робототехническими комплексами (ПРТК) осложняется такими факторами, как инерционность, стохастические возмущения и недостаток навигационной инфраструктуры. Существующие подходы к моделированию и прогнозированию поведения ПРТК известны слабой или отсутствующей интеграцией данных с реальных сенсоров в режиме реального времени. Устранив указанный пробел в комплексных решениях, можно объединить физические модели, цифровые двойники и визуализацию. Перспективный инструмент для преодоления названных выше ограничений — цифровой двойник (англ. digital twin, DT), обеспечивающий точную цифровую репрезентацию объекта через интеграцию данных от физических сенсоров и математических моделей. Цель представленного исследования — разработка метода прогнозирования динамики ПРТК с использованием цифрового двойника для повышения эффективности автономного управления. Материалы и методы. Основа исследования — разработка математической модели движения подводного робототехнического комплекса. Она включает дифференциальную кинематику, моделирование сопротивления среды и динамики поворота. Для сбора и обработки данных использовались сенсоры: инкрементальные энкодеры, трехосевой акселерометр и гироскоп. Для управления движением по каждой оси задействовали пропорционально-интегрально дифференцирующий (ПИД) регулятор. Для визуализации и проверки модели применялась игровая среда «Юнити» (Unity). В ней создали модуль цифрового двойника с возможностью отображения состояния системы в реальном времени. В качестве программного обеспечения использовалась платформа «Ардуино Ай-ди-и» (Arduino IDE) для низкоуровневого программирования, а также «Матлаб» (Matlab) и «Питон» (Python) для анализа данных и построения графиков. Результаты исследования. Для верификации модели проводились эксперименты на физическом макете. Их сопоставили с симуляцией поведения объекта в виртуальной среде. Представлены графики расхождений между физическими и симулированными траекториями. Рассчитаны статистические метрики, характеризующие точность цифрового двойника. Максимальное отклонение по координатам не превышает 5,3 мм, среднее угловое отклонение составило 3,5°. Это подтверждает достоверность и практическую применимость предложенной модели при автономном управлении робототехническим комплексом. Установлено также, что средняя ошибка по X — 3,11 мм, по Y — 2,92 мм. Средняя ошибка угла Z — 1,8°. Время реакции — менее 10 мс. Устойчивость цифрового двойника к незначительным флуктуациям в данных обеспечивается благодаря сглаживанию входных данных, стабильностью системного регулятора и адаптации модели к калибровочным значениям на старте каждого цикла. Обсуждение и заключение. Цифровые двойники подходят для прогностического управления и наблюдения за объектом в условиях неопределенности. Предложенный подход целесообразно масштабировать для различных типов робототехнических систем, функционирующих в агрессивных и слабо предсказуемых средах. Дальнейшие исследования в этом направлении могут быть связаны с внедрением адаптивных и нейросетевых методов управления.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Исследуются, в основном, цифровые системы, которые управляют обслуживанием отдельных технологических мехатронных объектов (ТМО) и комплексов технологических машин. Отмечена многочисленность вопросов поддержания надежности состояния и возникающих неисправностей, а также многофакторность применения существующих систем мониторинга и диагностики. В связи с этим указано на актуальность задач разработки методов и способов обслуживания технологического оборудования, позволяющих принимать решения в условиях неопределенности и ограниченности данных.Материалы и методы. Для анализа критичности технического состояния сформирована оценка качества эффективности автономного управления состоянием устройств. При этом используется метод нейронечеткой системы определения совокупного критерия критичности. Предлагается применять этот подход для выработки рекомендаций по оснащению технологического объекта необходимыми средствами поддержания общей работоспособности и надежности.Результаты исследования...
Бесплатно
Информационная поддержка мониторинга состояния организации
Статья научная
Целью настоящей работы является подготовка, обработка и анализ экспертной информации, предназначенной для определения уровня зрелости организации на основе самооценки. Для установления уровня зрелости использованы критерии стандарта ГОСТ Р ИСО 9004-2010. Поставлены задачи определения последовательности действий для получения оценки уровня зрелости и разработки методики формирования экспертной информации, адекватно отражающей реальную ситуацию. Для решения поставленных задач использован математический аппарат теории нечетких множеств. Подготовка и анализ экспертной информации составляет суть этапа фаззификации при создании экспертной системы. Решение задачи проиллюстрировано на модельном примере. Определены лингвистические переменные, построены функции принадлежности, определены аддитивный и мультипликативный показатели согласованности, построены матрицы согласованности и индексов нечеткости. Для получения этих характеристик использована программная система ввода экспертной информации. Установлено достаточно высокое качество экспертной информации и ее пригодность для использования на последующих этапах создания экспертной системы. Предложенная методика может быть применена как для формирования экспертной информации при определении уровня зрелости организаций, так и для решения любых задач при разработке экспертных систем, функционирующих на основе нечеткой экспертной информации.
Бесплатно
Информационная система для оценки уровня зрелости организации
Статья научная
Введение. Статья посвящена проблемам создания информационного обеспечения для решения задачи оценки уровня зрелости организации. Предлагается использование интеллектуальных информационных систем - экспертных систем. Кратко излагаются содержательные аспекты различных этапов создания таких систем, приводится архитектура экспертной системы, которая основана на использовании базы нечетких экспертных знаний. Целью работы являлось создание нового программного обеспечения для решения задачи оценки уровня зрелости организации. Материалы и методы. Ранее выполненное моделирование рассматриваемой предметной области позволило создать базу знаний в виде набора продукционных правил, который является основой механизма нечеткого логического вывода. Программное обеспечение написано на PHP и пригодно для встраивания в комплексные web-приложения. Программная система представляет собой web-приложение, написанное преимущественно на PHP и JavaScript. Программное обеспечение работает во всех современных web-браузерах, что значительно ускоряет внедрение и развертывание на базе как основного предприятия, так и дочерних структур. Результаты исследования. Создано новое программное обеспечение для автоматизации процесса обработки опросных листов при проведении самооценки организации на основе ключевых показателей, а также с учетом основных шести групп показателей системы менеджмента качества. Применение программы позволит значительно ускорить процесс ввода и обработки необходимой для проведения самооценки экспертной информации. Использование программы позволяет организациям получить адекватное представление о возможностях и перспективах улучшения системы менеджмента качества организации. Приведены фрагменты интерфейса программной системы. Обсуждение и заключения. Предлагаемое программное обеспечение может быть использовано при определении уровня зрелости организации. Применение web-технологий повышает удобство пользования, снижает затраты на поддержку программного обеспечения. Программное обеспечение можно развернуть как в существующей сетевой инфраструктуре заказчика, так и пользоваться всем функционалом, подключаясь к удаленному серверу. Программное обеспечение оптимизировано под различные разрешения экрана, что позволяет использовать его не только в центральном офисе, но и при анализе системы менеджмента качества предприятий-клиентов. Трафик, генерируемый web-приложением, оптимизирован для работы с мобильными устройствами с низкоскоростным подключением к сети Интернет. Применение программы позволит значительно сократить время пользователей на ввод и обработку необходимой для решения задачи экспертной информации, исключить дублирование информации.
Бесплатно
Искусственный интеллект в системах хранения данных
Статья научная
Введение. Рассмотрено функционирование искусственного интеллекта (ИИ) в системах хранения данных. Определено преимущество его использования при работе с данными как с экономической точки зрения, так и с точки зрения безопасности. Целью работы является внедрение искусственного интеллекта в системы хранения данных. Основные задачи: описание методов разделения данных, организации их хранения и противодействия угрозам безопасности.Материалы и методы. Данные, которые необходимо занести на накопители, разбивается на части таким образом, чтобы их можно было восстановить, не имея одной из частей. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность доступа и восстановления информации в случае программного или аппаратного сбоя.Результаты исследования. Рассмотрена работа искусственного интеллекта при обнаружении угроз безопасности. Так как модель подразумевает взаимодействие пользователей с данными, то было выяснено, каким образом происходит управление доступом данных, а также приведено описание способа хранения ключей.Обсуждение и заключения...
Бесплатно
Статья научная
Совершенствование механизма таможенного контроля является приоритетной задачей Федеральной таможенной службы, поскольку таможенный контроль должен быть направлен, с одной стороны, на упрощение и ускорение таможенных операций, а с другой - на защиту интересов государства. Выбор форм таможенного контроля, как известно, базируется на принципах выборочности и достаточности. В связи с этим часто возникает необходимость идентификации багажных мест, в которых могут быть выявлены запрещенные товары, с целью установления личности лиц, перемещающих эти товары. Целью настоящей работы является рассмотрение вопросов применения различных систем неконтактной идентификации объектов, которые обычно используются в антикражных системах, для идентификации багажных мест, содержащих товары, запрещенные, либо ограниченные к перемещению через таможенную границу.
Бесплатно
Статья научная
Целью данной работы является изучение влияния загруженности вычислительных ядер графического процессора и шаблона обращения к памяти на пропускную способность шины памяти и ускорение масштабирования. Предмет исследования - задача масштабируемости производительности параллельных вычислений и их ускорение. В ходе работы была проверена следующая гипотеза: при обработке изображений для мно-гоядерных систем с общей памятью закон Густафсона - Барсиса более важен, нежели шаблон обращения к памяти при недостаточной загруженности вычислительных ядер графического процессора. Методология проведения исследования - вычислительный эксперимент с последующим анализом полученных данных. В ходе исследования подтверждена выдвинутая гипотеза. Для этого был проведен ряд экспериментов на различных гетерогенных вычислительных системах с поддержкой стандарта OpenCL. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы. Шаблон доступа к памяти начинает накладывать ограничения на производительность алгоритма только при достаточной загруженности вычислительных ядер. Видеокарты, оснащенные собственной памятью, показывают более стабильные результаты работы по сравнению с теми, что используют память, общую с центральным процессором. Область применения полученных данных - разработка алгоритмов и программного обеспечения для высокопараллельных вычислительных систем.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается возможность применения алгоритмов генетического поиска для реализации криптоанализа блочных методов шифрования. Отличительной особенностью применения биоинспирированных методов криптоанализа (в частности, генетических методов) является возможность использования самого алгоритма шифрования (или расшифрования) в качестве целевой функции для оценки пригодности ключа, определенного с помощью генетических операций. Вследствие этого при использовании биоинспирированных методов криптоанализа процесс определения секретного ключа (например, при криптоанализе второго типа) зависит не столько от сложности шифрующих преобразований, сколько от самого биоинспирированного метода, который должен обеспечивать достаточное разнообразие генерации ключей, что свидетельствует об актуальности задачи исследования возможности применения биоинспирированных алгоритмов (в частности, методов генетического поиска) для криптоанализа блочных криптосистем. Отмечается также, что поскольку отличительной особенностью как блочных методов шифрования, так и генетических алгоритмов, является их внутренний параллелизм, то задача разработки алгоритма криптоанализа на основе параллельной реализации составляющих этапов является актуальной. Предлагается алгоритм криптоанализа блочных методов на примере стандарта DES на основе его параллельной версии, приводятся результаты эксперимента при определении квазиоптимального ключа, полученные при параллельной реализации алгоритма на 8-буквенных блоках текста. Отмечается, что временные затраты алгоритма не превосходят временных затрат при реализации известных методов криптоанализа.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Представлен сравнительный анализ решений модифицированной модели Уитли при различных способах формирования элитных особей. В данном исследовании для формирования элитных особей используются алгоритмы Крона и Плотникова-Зверева. Целями работы являлись разработка модифицированной модели Уитли с применением алгоритмов Крона и Плотникова-Зверева для формирования элитных особей, а также программного средства для решения задачи теории расписаний. Необходимо было получить лучшее решение этой задачи при различных исходных данных с последующей обработкой результатов и выявлением модификации модели Уитли. Описана задача, которая подразумевает поиск оптимального распределения работ по процессорам с минимизацией максимального времени выполнения работ. Материалы и методы. Приведено описание всех алгоритмов, которые были реализованы при разработке программного средства решения задачи оптимизации построения расписания. Разработаны следующие алгоритмы: модифицированная модель Уитли, применение стратегии элитизма, алгоритм Крона, алгоритм Плотникова-Зверева. Результаты исследования. Разработано программное средство, с помощью которого проведён вычислительный эксперимент при различных исходных данных, с использованием одной, двух, трёх и четырёх элитных особей. Вычислительный эксперимент проведён для наиболее распространённых наборов данных при различном количестве элитных особей. Каждая модификация модели Уитли запускалась сто раз с каждым набором исходных данных. В результате сравнительного анализа было выявлено, какое влияние оказывает использование рассмотренных стратегий элитизма в разработанных модификациях генетического алгоритма (модели Уитли) на точность решения однородной минимаксной задачи при различном количестве элитных особей. Обсуждение и заключения. Определены лучшие результаты работы алгоритмов, выявлена эффективность применения элитизма в модифицированной модели Уитли при решении однородной минимаксной задачи теории расписаний. Проведено сравнение результатов работы алгоритма при одной, двух, трёх и четырёх элитных особях.
Бесплатно
Статья научная
Разработаны актуальный алгоритм построения тестовых материалов и методика оценивания результатов тестирования, позволяющие сочетать высокую оценочную способность и объективность тестов. Тестовую систему в таком случае можно рассматривать как аппарат оценивания уровня знаний при изучении соответствующих модулей. Для систематизации знаний производится декомпозиция знаний на множество разделов. При этом каждому разделу сопоставляется множество подразделов, которое, в свою очередь, состоит из подмножества вопросов, ответы на которые раскрывают уровень знаний каждого раздела. Задание теста формулируется таким образом, что при ответе на него должен быть дан набор ответов, раскрывающих уровень знания определенного подраздела. Поскольку процесс разработки тестового вопроса рассматривается как построение многофакторной зависимости, то предлагается к его построению подойти с позиции планирования многофакторных экспериментов. В этом случае множество ответов представляется как набор факторов, принимающих определенные значения. При их варьировании на двух уровнях, задача сводится к построению эксперимента, реализующего все возможные сочетания факторов, т.е. к полному факторному эксперименту. Предложена методика применения технологии планирования двухуровневых многофакторных экспериментов, позволяющих формализовать оценку частично неполных знаний и реализацию формирования многофакторных тестов различной сложности. Для иллюстрации данной методики рассмотрены примеры построения тестов для дисциплины «Теория автоматического управления», оценивающих степень сформированности уровня знаний. Статистическая обработка результатов тестирования показала уровень знаний испытуемых, а также степень доверия к этим знаниям.
Бесплатно
К вопросу о компьютерном моделировании
Статья научная
Введение. Моделирование служит методологической основой современной науки и инструментом познавательной деятельности. Его можно рассматривать как мыслительную деятельность, опосредованную и оптимизированную информационными моделями. В этом случае к информации применяются логические операции познания и приемы моделирования. Материалы и методы. Изучены и обобщены результаты научных исследований о том, как в памяти человека формируются, хранятся и обрабатываются знания, как они взаимодействуют с представлениями информации. Проанализированы информационные модели, применяемые в различных предметных областях. Сформулированы положения о рациональных способах представления информации в процессе моделирования и указаны компьютерные средства для построения таких представлений. Результаты исследования. Выявлены приемы, методы, техники визуализации информации об изучаемом объекте. Представлены программные средства и сервисы, которые позволяют создавать визуализации и выполнять исследовательские процедуры моделирования. Обсуждение и заключение. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации процедур моделирования. С помощью описанных приемов, методов и техник в специальных программах визуализируются образы, структуры, отношения и связи изучаемого объекта. Они, в свою очередь, опосредуют процесс мысленного моделирования и расширяют базу для его выполнения.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена оценке эффективности методов и алгоритмов решения оптимизационных задач с векторным критерием и системой нелинейных ограничений. Описан подход, позволяющий после проведения эквивалентных преобразований перейти к оптимизационной задаче с одной целевой функцией (т. е. к задаче безусловной оптимизации). Однако полученная таким способом целевая функция обладает свойствами (нелинейность, мультимодальность, овражность, большая размерность), не позволяющими использовать для ее решения классические методы. Цель представленного исследования - разработать для решения данной задачи гибридные методы, основанные на комбинациях алгоритмов, инспирированных живой природой, с другими подходами (гравитационным и градиентным).Материалы и методы. Созданы новые методы для решения указанной задачи. Проведен компьютерный эксперимент на ряде тестовых функций, выполнен его анализ, показывающий эффективность различных комбинаций на различных функциях.Результаты исследования...
Бесплатно
К проблеме использования автоматизированного рабочего места людьми с ограниченными возможностями
Статья научная
Введение. Сотрудники банковской сферы с ограничениями по здоровью имеют негативный опыт использования внутреннего программного обеспечения для взаимодействия с клиентами и выполнения служебных обязанностей. Многие сотрудники, например, с проблемами слуха, хотели бы работать в callцентрах, но не имеют такой возможности из-за устаревшего программного обеспечения (ПО). Целью исследования является анализ приоритетных задач для дальнейшей разработки ПО с учетом имеющихся у сотрудников нарушений.Материалы и методы. В качестве ПО выбрана одна из подсистем автоматизированного рабочего места, позволяющая сотруднику взаимодействовать непосредственно с клиентами данной организации. В ходе анализа использовался метод экспертного оценивания Т. Л. Саати при содействии одного из экспертов в разработке ПО для людей с ограниченными возможностями.Результаты исследования. Используя фундаментальную шкалу предпочтений и мнение эксперта в области разработки ПО для людей с инвалидностью, построены матрица приоритетов для каждого из критериев (субтитры, упрощённые шрифты, голосовое сопровождение, упрощённое и удаленное управление) и платформ (IOS, Android, Windows OS), а также глобальная матрица приоритетов для всех критериев и платформ.Обсуждение и заключения. Проведено экспертное оценивание нескольких характеристик ПО банковской коммерческой организации Российской Федерации для выявления недостатков использования сотрудниками, имеющими инвалидность. В ходе анализа сделаны промежуточные выводы: самым необходимым критерием для людей с проблемами слуха является «Субтитры»; для людей без возможности выходить из дома - «Удаленное управление»; для людей с ампутациями или необратимыми повреждениями конечностей - «Упрощённое управление». Остальные параметры для реализации не рекомендуются.
Бесплатно
Компьютерная программа подбора праймеров для LAMP-амплификации
Статья научная
Введение. На сегодняшний день существует множество способов амплификации нуклеиновых кислот и у каждого способа есть ряд достоинств и недостатков. Одним из наиболее популярных способов является петлевая изотермическая амплификация (Loop-mediated isothermal AMPlification, LAMP). В отличие от термоциклических реакций, таких как ПЦР (полимеразная цепная реакция), для которых требуется смена трех температурных режимов и дорогостоящее оборудование, в LAMP вся реакция проходит при одной температуре и с максимальной на данный момент скоростью. Важным компонентом проведения LAMP-амплификации являются праймеры (обычно 20-25 нуклеотидов), которые необходимо подбирать к определенному участку нуклеотидной последовательности. Известно, что последовательность ДНК содержит четыре нуклеотида: А - аденин и Т - тимин, Г - гуанин и Ц - цитозин. Вариантов перестановок этих нуклеотидов огромное множество, и проанализировать вручную такое большое количество данных практически невозможно, поэтому возникает необходимость в использовании современных компьютерных технологий. Для дизайна ПЦР-праймеров предложено более 150 компьютерных программ, в то время как для LAMP-праймеров их менее 10, и каждая из них имеет ряд недостатков, например, по длине анализируемого участка. Поэтому целью данной работы является разработка новой отечественной компьютерной программы дизайна специфичных праймеров именно для LAMP.Материалы и методы. В основе алгоритма поиска праймеров лежит линейный поиск подстроки в строке с учетом критериев подбора праймеров для LAMP. Программный комплекс дизайна LAMP-праймеров разработан на языке программирования Python. Для работы с различными ДНК и РНК использовалась библиотека bioPython, а для разработки интерфейса - фреймворк Qt.Результаты исследования. Предложена модификация метода прямого перебора с использованием трафаретного подхода, учитывающего GC-состав и температуру отжига праймеров в зависимости от их структуры. Разработан комплекс программ с дружелюбным интерфейсом, учитывающий критерии дизайна праймеров: получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (LAMPrimers iQ № 2022617417 от 20 апреля 2022 года, LAMPrimers iQ_loop № 2023662840 от 14 июня 2023 года). Программа есть в открытом доступе по адресу: https://github.com/Restily/LAMPrimers-iQОбсуждение и заключение. Разработанные программные комплексы могут использоваться для исследований и анализа в области молекулярной биологии и генетики, для создания диагностических тест-систем, обеспечивающих высокую чувствительность и достоверность обнаружения специфических ДНК и РНК. Программные комплексы могут применяться в научно-исследовательских институтах и лабораториях, занимающихся амплификацией нуклеиновых кислот. Результаты оценки подобранных наборов праймеров для реакции LAMP апробированы, и эффективность рабочих наборов с помощью программы LAMPrimers iQ доказана экспериментально на примере обнаружения генетического материала коронавируса SARS-CoV-2.
Бесплатно
Концепции управления мобильными строительно-дорожными объектами
Статья научная
Целью работы является определение свойств транспортных потоков мобильных строительно-дорожных объектов (МСДО) для повышения эффективности управления ими. Представлены результаты системного анализа задач управления МСДО, изложена концепция их решения и выполнена формализация задачи управления движением мобильных строительно-дорожных машин в постоянно изменяющихся условиях передвижения. Впервые сформулированы системные и структурные критерии оценки состояния мобильных строительно-дорожных объектов, проанализированы концепции управления группами подвижных объектов, даны рекомендации по выбору типа управления. Представлены математические модели транспортных потоков, устанавливающие зависимость скорости движения от плотности транспортного потока, а также математическая модель оптимизации маршрута движения мобильных строительно-дорожных объектов. В статье приведены стратегии адаптивного и интеллектуального управления группами подвижных объектов различной численности, а также представлены результаты регрессионного анализа модели движения мобильных объектов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. В условиях цифровизации агросектора точное земледелие становится ключевым драйвером устойчивости: беспроводные сенсорные сети (БСС) обеспечивают непрерывный мониторинг почвенно-климатических параметров и состояния растений, поддерживая прогнозирование урожайности и ресурсную оптимизацию при снижении операционных рисков. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях энергоэффективности, маршрутизации и топологий БСС, проблема их системной надежности в реальных агросценариях освещена фрагментарно. Существующие теоретические подходы опираются на теорию графов, марковские и квазидетерминированные модели для оценки связности и отказоустойчивости, но недостаточно учитывают деградацию батарей, вариативность радиоканала и внешние факторы (микроклимат, помехи), а также их совместное влияние. Цель данной статьи — разработать методический подход к повышению надежности БСС для мониторинга агрообъектов посредством многоуровневой модели, интегрирующей сетевые параметры, свойства аппаратуры и внешние воздействия. Материалы и методы. Для разработки модели были применены методы системного анализа, в т.ч. анализа и синтеза ранее известных моделей и алгоритмов управления БСС для различных уровней сетевого взаимодействия. На первом этапе рассмотрены аналитические модели каждого уровня: технического состояния радиоустройств; физического канала с помехами и аппаратурными искажениями; энергопотерь узлов в канале с переменными характеристиками среды; линейной БСС с гетерогенными участками радиосвязи и кластеризации БСС. На втором этапе произведен анализ алгоритмов управления БСС: выбора режима передачи с минимальными искажениями сигналов; оптимизации структуры сигнала с минимальным BER; управления длиной пакета данных и мощностью передатчика; маршрутной балансировки энергопотерь в узлах ретрансляции, а также маршрутизации с минимальными потерями времени и энергии. На третьем этапе произведен синтез полученных результатов, представлена иерархическая инфраструктура мониторинга агропромышленного объекта, учитывающая все уровни взаимодействия БСС, параметры сенсорных узлов и влияние внешних факторов. Результаты исследования. Предложен и обоснован методический многоуровневый подход к повышению надежности БСС для мониторинга агрообъектов, интегрирующий сетевые параметры, свойства аппаратуры и внешние воздействия, подтвержденный моделированием повышения энергоэффективности, снижения задержек и роста отказоустойчивости. В рамках этого разработана пятииерархическая концепция многоуровневой сетевой инфраструктуры для мониторинга агропромышленных объектов на базе БСС, интегрирующая модели и алгоритмы на уровнях: устройства, физического канала, канала передачи данных, линейного маршрута и сети. Получены одноуровневые и межуровневые зависимости, связывающие показатели эффективности, дестабилизирующие факторы и управляемые параметры. Обсуждение. Представленный подход устраняет выявленный в литературе разрыв между энергетическими моделями и учетом динамических/информационных ограничений узлов, а также учитывает реальное техническое состояние модемов и термозависимость источников питания. Многоуровневая интеграция критериев (от корреляционных показателей формы сигнала до сетевых вероятностных метрик целостности БСС) позволяет согласовывать локальные оптимизации и системные цели, уменьшая риск конфликтов между уровнями. Принцип согласования уровней и внешнего дополнения обеспечивает итеративную корректировку требований и параметров, что повышает устойчивость принятия решений к неопределенности среды и гетерогенности каналов. Ограничениями текущей работы являются: необходимость калибровки моделей под конкретные аппаратные профили, зависимость эффективности от доступных режимов PHY/MAC и протоколов ARQ, а также чувствительность к точности оценок помеховой обстановки и температурных режимов. Заключение. Разработанные модели и алгоритмы на пяти уровнях обеспечивают достижение заданных показателей помехоустойчивости, времени доставки и энергопотребления при минимально необходимом задействовании ресурсов, что повышает живучесть и срок службы БСС. Предложенный подход создает основу для перехода к системно спроектированным, воспроизводимым решениям в точном земледелии, снизит ресурсные затраты и экологическую нагрузку, а также повысит устойчивость и рентабельность агропроизводства. Для масштабирования необходимы полевые испытания и публикация эталонных конфигураций и кодов для воспроизводимости.
Бесплатно
