Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Модель машинного обучения для обнаружения COVID-19 на ранней стадии по аномалиям в ритме сердца
Статья научная
Введение. Электронные устройства, способные собирать данные по телеметрии индивидуума, открыли перспективы доклинического выявления признаков COVID-19. Известные решения предполагают анализ информации, которую сложно получить в моменте. Речь идет, например, о состоянии крови или ПЦР-тесте. Это существенно ограничивает возможности интеграции алгоритмов с наручными гаджетами. При этом сердечно-сосудистая система как объект наблюдения достаточно информативна, съем данных хорошо проработан. В статье описана задача детекции ковидных аномалий в ритмограммах. Цель работы - создание математической модели на базе алгоритмов машинного обучения для автоматизации процесса выявления ковидных аномалий в ритме сердца. Показана возможность интеграции полученных результатов с фитнесс-браслетами и умными часами.Материалы и методы. В работе задействовали открытый стек технологий: Python, Scikit-learn, Lightgbm. При оценке качества моделей для бинарной классификации использовалась метрика F1. Изучены 229 ритмограмм сердца (кардиоинтервалографий) пациентов с COVID-19. Наличие или отсутствие признаков аномалии определялось с учетом времени ритмограммы и интервалов между сердцебиениями. Графически показаны отклонения, которые могут свидетельствовать о заражении. По итогам разведочного анализа собран перечень признаков, указывающих на аномалию.Результаты исследования. В результате проделанной работы получена математическая модель, которая детектирует специфичные для COVID-19 аномалии сердечного ритма с точностью 83 %. Выявлены и ранжированы основные признаки, определяющие прогностическую способность модели. Это текущее значение интервала между ударами сердца, производные в последующей и предыдущей точках измерения продолжительности сердцебиения, первая производная в текущей точке и отклонение от медианы текущего значения длительности RR-интервала. Первый показатель в этом перечне признан наиболее значимым, последний - наименее. Для целей машинного обучения оценивался потенциал пяти алгоритмов: IsolationForest, LGBMClassifier, RandomForestClassifier, ExtraTreesClassifier, SGDOneClassSVM. Визуализированы нормальные и аномальные результаты наблюдений в изолирующих деревьях. Установлен параметр, который соответствует вероятности регулярного наблюдения за пределами нормы, и выбрано его значение - 0,11. С учетом данного показателя построен график для модели SGDOneClassSVM. По набору данных с применением техники перекрестной проверки рассчитана метрика качества. Речь идет о ритмограмме с временны́м рядом наблюдений, снятых за один непрерывный интервал времени у одного человека. Описан пошаговый процесс получения усредненных значений метрики для каждой модели. При сравнении самый высокий показатель зафиксирован у модели LGBMClassifier, наименьшие - у SGDOneClassSVM и IsolationForest.Обсуждение и заключения. Полученная математическая модель занимает мало места в памяти мобильного устройства, то есть не предъявляет значимых требований к вычислительным ресурсам. Решение обладает приемлемым качеством детекции для доклинического скрининга связанных с COVID-19 сердечно-сосудистых нарушений. Алгоритм обнаруживает аномалии в 83 % случаев. Для записи ритмограммы достаточно 4 минут. Предлагаемый сценарий использования интегрированного решения лаконичен и легко реализуем. Широкое использование разработки может способствовать выявлению COVID-19 на ранней стадии.
Бесплатно
Статья научная
Организация защищенного документооборота является предметом данного исследования. Его цель - повышение надежности передачи данных. Задача работы - построение надежной модели организации защищенного документооборота с аутентификацией. Для решения указанной задачи применяется метод распределенной передачи данных, который позволяет за счет использования нескольких каналов значительно уменьшить вероятность несанкционированного доступа к информации и возможности ее модификации. В качестве результата работы представлена модель организации защищенного документооборота на основе двухканального алгоритма шифрования MV 2 и базовых шифров AES и RC4. Предусмотрена замена базовых шифров и учтена потребность использования ассоциированных данных, которые должны оставаться открытыми, но быть аутентифицированными вместе с основной зашифрованной информацией. Построенная модель решает поставленную задачу, а программная реализация, разработанная на языке С++ с использованием библиотеки NTL, может быть применена на практике. Область применения полученных результатов - защита коммерческого документооборота.
Бесплатно
О модификации декодера bit-flipping кодов с низкой плотностью проверок на четность
Статья научная
Введение. Во всех видах цифровой связи применяются методы помехоустойчивого кодирования. Во многих стандартах цифровой связи, например вай-фай (англ. Wi-Fi) и 5G, используются коды с низкой плотностью проверок на четность. Эти коды популярны потому, что для них возможно построение кодеров и декодеров с невысокой вычислительной сложностью. Цель настоящей работы - повышение корректирующей способности известного битфлиппинг-декодера (англ. bit-flipping, BF) LDPC-кодов. Для этого строится модификация декодера, позволяющая динамически управлять одним из его основных параметров, выбор которого существенно влияет на качество декодирования.Материалы и методы. Рассмотрен известный декодер bit-flipping двоичных LDPC-кодов. Некоторые его параметры не имеют жесткой связи с параметрами кода. С помощью имитационного моделирования исследована зависимость качества декодирования от выбора выходных параметров декодера bit-flipping. Показано, что на результаты декодирования в этом случае существенно влияет входной параметр декодера - порог 𝑇. Разработана модификация BF-декодера двоичных LDPC-кодов, в которой предлагается задавать порог динамически во время выполнения алгоритма в зависимости от степени повреждения кодового слова ошибками. Проведен сравнительный анализ корректирующей способности декодеров методом имитационного моделирования.Результаты исследования. Сформулирована и доказана лемма о максимальном значении порога декодера. Найдены верхние оценки для количества операций оригинального и модифицированного декодеров. Построена имитационная модель, реализующая цифровой помехоустойчивый канал связи. В модели исходные данные кодируются заданным LDPC-кодом, зашумляются аддитивными равномерно распределенными ошибками, а затем поочередно декодируются алгоритмом bit-flipping с различными параметрами порога и модифицированным декодером. По входным и выходным данным оценивается корректирующая способность использованных декодеров. Эксперименты показали, что в диапазоне реального уровня ошибок корректирующая способность модифицированного декодера выше, чем у оригинального, вне зависимости от выбора его параметров.Обсуждение и заключения. Доказанная в работе лемма устанавливает верхнюю границу значения порога в оригинальном декодере, что облегчает его настройку. По сравнению с оригинальным декодером разработанная модификация способна лучше исправлять ошибки. При этом сложность модификации увеличена незначительно по сравнению с оригинальным алгоритмом. Отмечено, что качество декодирования модифицированным декодером растет при увеличении длины кода и уменьшении количества циклов в графе Таннера, соответствующего проверочной матрице кода.
Бесплатно
О применимости математического масштабирования и нормирования при решении прикладных задач
Статья научная
Введение. Статья посвящена анализу применимости математического масштабирования и нормирования при решении различных прикладных задач. Рассмотрены наиболее известные формулы, часто используемые в ходе теоретических и практических изысканий. Цель работы - выявление свойств математического масштабирования и нормирования. Материалы и методы. На конкретных вычислительных примерах оценены ошибки, получаемые при использовании формул математического масштабирования и нормирования. С учетом сравнительной оценки отношений степени величины исходных и результирующих значений (а также отношений степени их различия) оценивается корректность получаемых данных, оказывающих существенное влияние на результирующие значения. Результаты исследования. Проведенный анализ позволяет сделать выводы о том, что известные формулы математического масштабирования и нормирования обладают свойствами, не учитывавшимися в теории и практике. Обсуждение и заключения. Полученные результаты позволяют избежать ошибочных решений, обусловленных использованием неприменимых формул масштабирования и нормирования при решении задач в теории и практике экономики, организационного управления, медицины и многих других областей.
Бесплатно
О применимости математического масштабирования и нормирования при решении прикладных задач
Статья научная
Статья посвящена анализу применимости математического масштабирования и нормирования при решении различных прикладных задач. Рассмотрены наиболее известные формулы, часто используемые в ходе теоретических и практических изысканий. Цель работы — выявление свойств математического масштабирования и нормирования.
Бесплатно
О четырехслойной итерационной схеме
Статья научная
Целью работы является исследование скорости сходимости четырехслойной итерационной схемы. Рассматривается задача нахождения приближенного решения линейного операторного уравнения Au = f. Для решения такой задачи используются двухслойные и трехслойные итерационные методы. При этом трехслойные методы сопряженных направлений сходятся значительно быстрее, чем двухслойные градиентные методы. Задача исследования - установить, имеет ли четырехслойная схема преимущество в скорости сходимости по сравнению с трехслойной схемой. Для этого приводится четырехслойная итерационная схема решения сеточных уравнений, и рассчитываются ее параметры. Доказано, что четырехслойная итерационная схема вариационного типа для решения сеточных уравнений выражается к трехслойной схеме.
Бесплатно
Статья научная
Исследуются простейшие топологические свойства предельного спектра, а именно связность его дополнения в комплексной плоскости. В работе проведена численная проверка оценок снизу для максимального числа компонент связности дополнения предельного спектра ленточных тёплицевых матриц, символ которых - полином Лорана заданной степени. Приведён алгоритм вычисления параметров символа тёплицевой матрицы, предельный спектр которой разбивает комплексную плоскость на заданное число компонент связности. Численно исследованы примеры полиномов, являющихся символами тёплицевых матриц, предельный спектр которых делит комплексную плоскость на заданное множество компонент связности. Приведены графики предельных спектров тёплицевых матриц, иллюстрирующие полученные в работе результаты. Проведено сравнение полученных методами работы предельных спектров и спектров тёплицевых матриц больших размеров с заданным символом.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Расписания занятий и экзаменов являются важнейшими компонентами организации обучения. Их качество напрямую влияет на успешность освоения учебных материалов, играет важную роль в обеспечении физического и психологического здоровья участников образовательного процесса. В статье рассматривается влияние особенностей образовательных систем на постановку и методы решения задач при построении расписаний. Основное внимание уделяется проблемам построения расписаний в высших учебных заведениях. Материалы и методы. Излагаются результаты аналитического исследования ряда российских и зарубежных источников, посвященных методам и алгоритмам автоматизации построения расписаний занятий и экзаменов. Данные методы и алгоритмы сравниваются с позиций современных методов системного анализа. Расписание рассматривается как часть системы поддержки образовательного процесса и, в сою очередь, обладает признаками системы, объединяющей такие объекты, как обучающиеся, преподаватели, дисциплины, аудитории. Применение методов системного анализа позволило выделить основные признаки реализованных систем построения расписаний, классифицировать и оценить их. Результаты исследования. В результате проведенного исследования установлено, что постановки задач построения расписания занятий и расписания экзаменов практически эквивалентны и содержат: критерий качества расписания, мягкие и жесткие ограничения. Российские источники содержат подробные исследования различных задач построения расписания занятий. В то же время среди этих источников не было обнаружено работ, посвященных созданию методов и алгоритмов построения расписаний экзаменов. Зарубежные же источники почти полностью посвящены расписаниям экзаменов. Для решения рассматриваемых задач применяются методы теории графов, эвристические и гибридные оптимизационные алгоритмы, методы линейного целочисленного и нечеткого программирования, методы системного анализа и другие современные методы дискретной математики. Обсуждение и заключения. В общем случае в рамках одного и того же вуза размерность, а значит и сложность решения задачи построения расписания экзаменов ниже аналогичной задачи для занятий. В связи с расширением индивидуализации обучения в российской образовательной системе следует ожидать повышение актуальности исследований методов и алгоритмов построения расписаний экзаменов.
Бесплатно
Обзор нечетких задач маршрутизации транспорта
Статья научная
Введение. Статья посвящена рассмотрению различных алгоритмов решения нечетких задач маршрутизации транспорта. Целью работы явилось исследование современных методов оптимального решения нечетких, случайных и грубых задач маршрутизации транспорта. Материалы и методы. В работе проведен обзор нечетких задач маршрутизации транспорта, существующих методов и подходов их решения. Выделены наиболее эффективные особенности некоторых подходов к решению нечетких задач маршрутизации транспорта с учетом их специфики.Результаты исследования. Нечеткая задача маршрутизации транспорта FVRP (Fuzzy Vehicle Routing Problem) возникает всякий раз, когда данные для маршрутизации расплывчаты, неясны или неоднозначны. Зачастую такие нечеткие элементы могут лучше отражать реальность. Однако очень сложно использовать алгоритмы решения детерминированных VRP (Vehicle Routing Problem) для решения FVRP, поскольку несколько фундаментальных свойств детерминированных задач больше не выполняются в FVRP. Поэтому для решения таких задач необходимо ввести новые модели и алгоритмы нечеткого программирования. Таким образом, использование методов теории нечетких множеств позволит успешно моделировать задачи, содержащие элементы неопределенности и субъективности.Обсуждение и заключения. В результате проведенного обзора различных методов и подходов решения задач маршрутизации транспорта сделаны выводы о том, что разработка и исследование новых решений привлекает на сегодняшний день большое внимание исследователей, но степень проработанности различных вариантов различается. Методы оптимального решения нечетких задач маршрутизации транспорта ограничиваются, в основном, какой-то одной нечеткой переменной. Работ, которые рассматривают большее число нечетких переменных, существует очень ограниченное количество
Бесплатно
Статья научная
Введение. Многие исследователи надежности строительных конструкций уделяют внимание твердости - важной характеристике конструкционного материала. Ее определяют индентированием - вдавливанием наконечника инструмента в поверхность. Исследуются преимущества методов динамического индентирования, распределение интенсивности напряжений на поверхности и внутри образца. Однако мало изучено состояние слоистых материалов при ударе. Цели представленной работы - рассмотреть индентирование для двухслойного образца и определить чувствительность верхнего слоя к прочности подложки. Это позволит выявить значимые характеристики прочностных свойств однородных и неоднородных конструкций.Материалы и методы. Использовали упруго-пластическую модель поведения материала и схему ударного индентирования, которая учитывает массы индентора и ударника, сцепленных линейными пружинами. Поверхность индентора - коническая, угол раскрытия - 120°. Удар моделировали в системе Matlab. Конечноэлементную модель в Ansys APDL применили для верификации данных и анализа результатов эксперимента. Для расчетов взяли традиционные модели теории упругости. Поведение материала в области пластического деформирования описали с помощью опций мультилинейного изотропного упрочнения и критерия пластичности Мизеса.Результаты исследования. Приводятся итоги сопоставления трех вариантов варьирования уровня предела текучести в нижнем слое: когда предел текучести в нижнем слое вдвое меньше верхнего, равен ему и вдвое больше. Проанализированы перемещения в разных точках наблюдения для образцов с верхним слоем 2 мм и 1 мм. В первом случае при горизонтальном сдвиге не меняются показатели перемещений внутри образца, если уровень предела текучести вдвое ниже или выше, чем в верхнем. При равенстве этих показателей разница становится заметной. Во втором случае (слой 1 мм) разница перемещений видна во всех точках наблюдения. Так можно обоснованно заключить, что конструкция с меньшим верхним слоем более чувствительна к ударному воздействию. В ходе изысканий стало известно, что в зоне 2 мм совершаются колебания, связанные с переходом в зону пластичности, ниже этой зоны - упругие затухающие колебания. Решили задачу классификации для верхнего слоя материала с меняющимися характеристиками основания. Показатель для сравнения - твердость по Бринеллю (НВ) в диапазоне 200-600. Результаты визуализировали в виде графиков и обработали с помощью нейросети. Точность ее вычислений составила 98 %.Обсуждение и заключение. Для определения прочностных свойств однородных конструкций достаточно характеристики скорости перемещения внутри образца. Для неоднородной структуры необходимо вводить дополнительные параметры - перемещения на поверхности и внутри образца в фиксированных точках наблюдений. Комплексный подход к определению прочностных свойств неоднородной конструкции повышает точность расчетов, а использование нейросетей - их скорость.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Научные и прикладные работы о размещении виртуальных объектов в реальном пространстве чаще всего фокусируются на вопросах интерактивности, интеграции реальности и виртуальности, физических свойствах виртуальных элементов. Однако недостаточно проработана задача одновременно свободного и оптимального размещения объектов с учетом их размеров и окружающей зоны комфортности вокруг них. В литературе можно найти описание схожей задачи - об упаковке в прямоугольный контейнер. В нашем случае цель не ограничивается максимально плотным размещением. Следует учесть два условия: жесткие размеры объектов (их запрещено нарушать) и дополнительные области - зоны комфортности (их нежелательно занимать). Цель работы - создание и реализация такого 2D-алгоритма размещения объектов в физическом пространстве, который будет учитывать обозначенные выше ограничения.Материалы и методы. Используя аппарат численных методов, авторы задействовали созданный ранее 1D-алгоритм размещения объектов. Расчеты основываются на системе линейных уравнений. В одномерном случае оптимальное размещение виртуальных объектов сводится к задаче, не зависящей от вида функции комфортности. Элементы такой системы - размеры объектов, дистанции между ними, а также расстояния до края области встраивания, зоны комфортности. Предлагаемый 2D-алгоритм оптимальной расстановки виртуальных объектов реализовали в виде программного кода на языке C# с использованием известного игрового движка Unity. Решение тестировали на гаджетах в режиме пиковой нагрузки для 5, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 45 и 50 объектов. Для опытов задействовали 1,8 тыс. устройств. Проанализировали около 77 тыс. событий. Чтобы исключить нерепрезентативные значения, каждый расчет повторяли 10 раз, и для каждого значения провели z-оценку. Аномальные (больше 3 и меньше -3) исключили.Результаты исследования. В работе создан алгоритм 2D-расстановки, который реализует заполнение прямоугольной области виртуальными объектами. У каждого из них есть размер и еще одна характеристика - зона комфортности. Авторы составили блок-схему реализации данного алгоритма в заданной двумерной левосторонней системе координат. Показано, в частности, на каком этапе объекты сортируются по длине, когда формируются их партии и выполняются расстановки по двум осям. Первая - горизонтальная, вторая направлена вперед от пользователя (это вектор глубины, или фронтальное измерение). Алгоритм 1D-размещения для сформированного ряда позволяет оптимально расположить объекты вдоль оси X на основе рассчитанного коэффициента комфортности К. Выполнены расчеты и составлены схемы с целью достичь определенных показателей комфортности. Для каждого объекта первой линии смещение по оси Z от края плоскости определяется так, чтобы комфортность спереди равнялась комфортности по X. Начиная со 2-го ряда для вычисления отступа проверяется наличие потенциальных соседей, которые находятся на ряд выше и имеют общие участки по X с обрабатываемым объектом. Каждый элемент строки устанавливается по оси Z так, чтобы его комфортность сверху была максимальной из односторонних горизонтальных комфортностей в данной и предыдущей строках. Принцип расчета координаты Z для объекта строки представлен в виде блок-схемы.Исходными данными для реализации этого алгоритма были 7 объектов с 14 разными размерами и 28 зонами комфортности. После программной реализации работу описанного 2D-алгоритма проверили на практике - в мобильном приложении дополненной реальности. Записали аналитические данные пользовательских сессий. Рассчитали среднее время выполнения. Возникшую в ходе работы гипотезу о квадратичной зависимости проверили на персональном компьютере. С этой целью провели аналогичный эксперимент для диапазона [10-10000] объектов. Гипотеза подтвердилась. Алгоритму можно присвоить сложность O(n2). Для сравнения скорости вычисления задействовали 10 самых популярных моделей пользовательских устройств. Результаты представили в виде диаграммы. Минимальное зарегистрированное время выполнения - 0,093 мс, максимальное - 0,146 мс. Расчеты показали высокую эффективность двумерного алгоритма. Дополнительно визуализировали схемы расстановки для разного количества и параметров объектов.Обсуждение и заключение. Предлагаемый алгоритм двумерного размещения позволяет работать с набором виртуальных объектов с разными размерами и зонами комфортности. Показаны достаточно высокие производительность и стабильность. В среднем алгоритм реализуется за доли миллисекунды даже при больших партиях объектов. Возможные будущие направления работы:- расширение подхода для построения 3D моделей и алгоритмов;- включение в алгоритм вращения объектов для большей гибкости их расположения и лучшего использования пространства.Итоги работы могут представлять интерес для инженеров и дизайнеров интерфейсов. В перспективе следует изучить пользовательский опыт и возможности включения дополнительных ограничений на позиционирование.
Бесплатно
Статья научная
Введение. При управлении трафиком на уровне пакетов в современных телекоммуникационных сетях связи предлагается задействовать методы, преобразующие самоподобный стохастический поток пакетов в квазидетерминированный. Для этого нужно применить сложные вероятностные законы распределения самоподобных потоков. Из литературы известны методы балансировки сетевой нагрузки, которые при обозначенной выше проблеме способствуют повышению эффективности телекоммуникационных систем связи. Однако нет строго математического решения, позволяющего узнать оптимальные вероятностные характеристики выходного потока, ориентируясь на входной. Представленная научная работа призвана восполнить этот пробел. Ее цель - создать метод определения оптимальных вероятностных характеристик потока пакетов, используя минимальное значение меры близости самоподобного входного и квазидетерминированного выходного потоков.Материалы и методы. Для решения задачи исследования параметры распределения выходного потока выбирались так, чтобы функция аппроксимации была близка к 𝛿𝛿-функции. В качестве меры близости входных и выходных распределений временны́ х интервалов использовали дивергенцию Кульбака - Лейблера. Задействовали методы теорий множеств, метрических пространств, многомерной оптимизации и телетрафика. В алгоритм решения включили минимизацию дивергенции Кульбака - Лейблера и предельный переход к 𝛿𝛿-функции.Результаты исследования. Показано вероятностное распределение - приближение 𝛿𝛿-функции, обеспечивающей равенство временны́ х интервалов квазидетерменированного выходного потока пакетов. Представлен метод преобразования самоподобного входного потока в квазидетерминированный выходной. В качестве меры их близости использовали дивергенцию Кульбака - Лейблера. Минимум дивергенции Кульбака - Лейблера между входным и выходным потоками с нормальным распределением достигается в случае равенства математических ожиданий этих потоков. С помощью предельного перехода установлено, что интервал времени Т между пакетами квазидетерминированного выходного потока должен быть равен математическому ожиданию интервалов времени между пакетами входного самоподобного потока. С целью получения квазидетерминированного потока выполняется предельный переход для найденного значения математического ожидания при σ→0.Обсуждение и заключение. Применение данного метода уменьшит негативное влияние самоподобия сетевого трафика на эффективность телекоммуникационной сети. Использование квазидетерминированных потоков дает возможность прогнозировать нагрузку сетевых ресурсов, что может быть базой для повышения качества обслуживания пользователей. Устраняются две сложности, связанные с расчетами и практической реализацией решения. Во-первых, затруднительно использовать дельта-функцию в качестве функции плотности распределения выходного потока. Во-вторых, при эксплуатации телекоммуникационных сетей не бывает идеальных детерминированных потоков. Предложенный метод обладает большим потенциалом при проектировании и оптимизации сетей связи.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Предложенный в статье быстрый программный алгоритм арифметического кодирования предназначен для сжатия цифровых изображений. Показано, каким образом сложность алгоритма арифметического кодера зависит от критериев сложности (при этом размер входа не учитывается). В процессе работы определены наиболее вычислительно сложные части алгоритма арифметического кодера. Выполнена оптимизация производительности их программной реализации. Кодеки с новым алгоритмом сжимают без учета межкадровой разницы фото- и видеоматериалы, полученные при дистанционном зондировании водных объектов.Материалы и методы. В представленной научной работе использована подборка спутниковых снимков акватории Азовского моря. При этом оптимизирован программный алгоритм арифметического кодера, проведено теоретическое исследование, выполнен вычислительный эксперимент.Результаты исследования. Увеличена производительность программной реализации арифметического кодера на примере видеокодека VP9. Для измерения времени выполнения произведены многочисленные запуски эталонного и модифицированного кодеков...
Бесплатно
Оптимизация двухстадийного режима метаногенеза на основе принципа максимума Понтрягина
Статья научная
Введение. Статья посвящена решению задачи оптимального управления процессом получения биогаза при непрерывном режиме его переработки в двух метантенках. Цели работы: представить математическую модель данного процесса и разработать алгоритм выбора оптимального управления.Материалы и методы. Созданная математическая модель описывает получение биогаза из отходов животноводства при последовательной переработке субстрата в двух метантенках. Рассматриваются случаи одинаковых и различных температурных сред (мезофильной и термофильной). Для данной модели сформулирована задача оптимального управления в виде задачи Лагранжа. Ее управляющими параметрами являются скорости поступления субстрата в метантенки. Предложен алгоритм решения данной задачи, основанный на численной реализации принципа максимума Понтрягина. При оптимизации применялся гибридный генетический алгоритм с дополнительным поиском в окрестности лучшего решения методом сопряженных градиентов.Результаты исследования. Разработана новая математическая модель, описывающая процесс получения биогаза при последовательной переработке субстрата в двух метантенках...
Бесплатно
Статья научная
Введение. Безопасность судоходства и разработок подводных месторождений полезных ископаемых требуют точного обнаружения различных подводных объектов. В литературе рассматриваются вопросы отслеживания их перемещений и траектории движения. Предлагаются методы гидролокации, обеспечивающие высокую точность позиционирования подводных объектов. Отмечена высокая точность пеленга стереодатчиков с ультракороткой базой. Однако такое оборудование чувствительно к частоте дискретизации сигналов, что вызывает «шум дискретизации». В открытом доступе нет публикаций, посвященных решению этой проблемы. Представленное исследование призвано восполнить данный пробел. Цель работы - изучение возможности получения данных, уточняющих информацию о пеленге подводных объектов за счет использования фазовой информации отраженных зондирующих сигналов и дополнительной процедуры передискретизации исходных данных.Материалы и методы. Местоположение объекта определяли с помощью экспериментального комплекса для исследования гидроакустических датчиков, созданного В.А. Широковым и В.Н. Милич в Удмуртском федеральном исследовательском центре Уральского отделения Российской академии наук. Использовали стереодатчик с малой базой (30 мм) по сравнению с расстоянием до объекта (≈800-900 мм). Для обработки данных применяли методы цифровой фильтрации и математический аппарат корреляционного анализа отраженных гидроакустических сигналов, полученных фазовым методом.Результаты исследования. Представлены итоги сопоставления двух способов определения пеленга на объект: по разности времени прихода передних фронтов импульсов и по максимуму кросс-корреляционной функции (ККФ). Графически показано изменение пеленга при движении объекта. Использование переднего фронта сигнала обусловило небольшие выбросы значений вдоль всей кривой пеленга (менее 0,12 рад). При максимуме ККФ выбросы фиксировались лишь в некоторых областях, но были довольно значительными (около 0,17 рад). Показано, как выбрать точки, соответствующие более гладкой и валидной траектории объекта, и как работать с ошибочными точками. Представленный метод устранения ошибки можно реализовать программно. При квазигармоничном сигнале редкие измерения исходного сигнала интерполируются частыми вычисленными значениями. Благодаря такому виртуальному увеличению частоты дискретизации (передискретизации) можно фиксировать промежуточные показатели в оцифрованных исходных данных. Интерполяция значений сигнала кубическим сплайном позволила получить 20 точек на 1 период сигнала вместо 5 точек в исходном варианте. В этом случае более корректна траектория, сформированная с максимумом ККФ.Обсуждение и заключение. Задачу пеленгации можно решить с точностью, необходимой для практического применения. Учет фактора гладкости и непрерывности траектории движения объекта позволяет качественно корректировать выбор максимума кросс-корреляционной функции сигналов стереодатчика. Предложенные методы обладают большим потенциалом для разработки систем подводного видения.
Бесплатно
Статья научная
Цель работы состоит в создании способа применения механизма динамически подключаемых библиотек при априорно неизвестном количестве и типе параметров экспортируемых функций подключаемых библиотек на примере информационной системы «Канал». Система «Канал» позволяет моделировать цифровые помехоустойчивые каналы связи и решать задачу согласования канала связи и алгебраического метода помехоустойчивой защиты этого канала. Главная особенность системы состоит в том, что использовать ее могут как исследователи, не обладающие навыками программирования, так и специалисты с квалификацией в области программирования вычислительных средств. Первые могут использовать существующий функционал системы, а вторые - дополнительно разрабатывать и подключать к системе собственные библиотеки, расширяющие возможности информационной системы. Описаны проблемы, возникающие при наращивании функционала этой информационной системы сторонними разработчиками методом динамически подключаемых библиотек. Основную сложность составляет априорная неопределенность в названиях, параметрах и типах параметров внешних функций подключаемых библиотек. Метод решения проблемы подключения библиотек сторонних разработчиков состоит в абстрагировании основной программы от данных, используемых подключаемыми модулями, унификации требований к внешним библиотекам, снабжении каждой библиотеки специальным файлом описания и создании для каждой библиотеки процедуры редактирования введенных параметров. Результатом работы является качественная работа системы «Канал» с внешними библиотеками, при соблюдении разработчиками этих библиотек ряда соглашений. Сделаны выводы о том, что полученное решение может быть использовано в других системах.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Современная квантовая и оптоэлектроника, нелинейная оптика предъявляют высокие требования к физико-химическим характеристикам используемых материалов. Это заставляет в том числе искать новые материалы, которые обладали бы свойствами, необходимыми в той или иной области применения. Но при таком подходе могут усложняться состав и кристаллическая структура полученных соединений. Электронная структура сложных соединений определяет их электрические, оптические, магнитные, химические свойства. Эти свойства являются индивидуальными для каждого соединения. Тем не менее, известно, что разные, но близкие по каким-то важным параметрам соединения, например изоэлектронные, обладают подобием в строении своих электронных оболочек. Накопление такой информации по отдельным соединениям и их группам приводит к необходимости обобщения полученных данных. И цель настоящей работы — рассмотреть некоторые общие характеристики электронной структуры, проявляемые группами разных соединений (халькогенидов, галогенидов и оксидов). Материалы и методы. Предметом изучения были три группы соединений: халькогениды Tl3TaS4, Tl3PS4, Sn2P2S6, InPS4, Cu2CdGeS4, Ag2CdSnS4, Ag2HgSnS4, галогениды Cs2HgX4 (X = Cl, Br, I), группа APb2Br5 (A = K, Rb) и оксиды La2Zr2O7, Nd2Zr2O7, Sm2Zr2O7, Eu2Zr2O7, Gd2Zr2O7. Метод исследования — квантово-механические расчеты в рамках теории функционала электронной плотности с различными обменно-корреляционными потенциалами. Использовались потенциалы, позволяющие учитывать сильные корреляции d- и f-электронов и получать значение ширины запрещенной зоны, близкое к экспериментальному. Результаты исследований. Проведены квантово-механические расчеты плотностей электронных состояний и оптических характеристик ряда халькогенидов, галогенидов и оксидов. Приведены парциальные и полные плотности электронных состояний (Densities of States — DOS). Выполнено сравнение полной плотности состояний с экспериментальными рентгеноэлектронными спектрами (X-ray photoelectron Spectra — XPS). Подтверждена адекватность результатов проведенных расчетов. Вершину валентной полосы формируют p-состояния наиболее электроотрицательных элементов (S, Se, Te, Br, O), в то время как дно валентной полосы образовано s-состояниями также электроотрицательных элементов. Обсуждение. По результатам проведенных расчетов сделаны обобщающие выводы о сходстве в строении валентной полосы рассмотренных соединений. На примере соединения Tl3TaS4 показано, что в твердом теле, по сравнению с энергиями в свободном атоме, для электроотрицательных элементов энергия связи уровней значительно уменьшается, а для электроположительных — увеличивается. Редкоземельный элемент (в качестве примера взят Eu2Zr2O7) вносит существенные дополнения в картину электронно-энергетического строения, так что электронные состояния редкоземельного элемента (4f-, 5p-) и 5s-состояния европия (Eu) изменяют строение валентной полосы пирохлора (Eu2Zr2O7). Рассчитанные в работе полные и парциальные плотности электронных состояний (DOS) сравнивались с экспериментальными рентгеновскими и рентгеноэлектроными (XPS) спектрами, которые подтвердили адекватность проведенных расчетов, при этом на рассчитанных кривых DOS имеются многочисленные элементы тонкой структуры, «замазанные» за счет аппаратурного искажения на экспериментальных кривых. Таким образом, расчет очень хорошо дополняет эксперимент, давая более детальную картину электронно-энергетического строения исследованных соединений. Заключение. Достигнута цель исследования — рассмотрены некоторые общие характеристики электронной структуры, проявляемые группами разных соединений (халькогенидов, галогенидов и оксидов). Решены задачи выявления состояний определяющих особенности электронной структуры и оптических характеристик исследованных групп соединений. Исследование может быть использовано при моделировании новых материалов с заданными свойствами.
Бесплатно
Отказоустойчивый кластер хранилища данных для аналитических запросов в банковской сфере
Статья научная
Введение. Банковский сектор придает большое значение хранению данных, поскольку это критически важный аспект бизнес-операций. Объем данных в данной сфере неуклонно растет. С увеличением объемов данных, которые необходимо хранить, обрабатывать и анализировать, крайне важно выбрать подходящее решение для хранения данных и разработать необходимую архитектуру. Представленное исследование направлено на то, чтобы заполнить пробел в существующих знаниях СУБД, подходящих для банковского сектора, а также предложить способы для отказоустойчивого кластера хранения данных. Цель работы - анализ ключевых СУБД для аналитических запросов, определение приоритетов СУБД для банковского сектора и разработка отказоустойчивого кластера хранения данных. Для выполнения требований к производительности и масштабируемости предложено решение для хранения данных с отказоустойчивой архитектурой, отвечающее требованиям банковского сектора.Материалы и методы. Анализ предметной области позволил создать набор характеристик, которым должна соответствовать СУБД для аналитических запросов (OLAP), выполнить сравнение некоторых популярных OLAP СУБД и предложить отказоустойчивую кластерную конфигурацию, написанную на языке xml, поддерживаемую СУБД ClickHouse. Автоматизация выполнена с помощью Ansible Playbooks. Он интегрирован с системой управления версиями Gitlab и шаблонами Jinja. Таким образом достигается быстрое развертывание конфигурации на всех нодах кластера.Результаты исследования. Для баз данных OLAP были разработаны критерии, проведен сравнительный анализ нескольких популярных систем. В результате была предложена надежная кластерная конфигурация в банковской индустрии, которая удовлетворяет требованиям аналитических запросов. Для увеличения надежности и масштабируемости СУБД процесс развертывания был автоматизирован. Также приведены детальные схемы конфигурации кластера.Обсуждение и заключения. Составленные критерии для OLAP СУБД позволяют определить необходимость данного решения в организации. Сравнение популярных СУБД может быть использовано организациями для минимизации затрат при выборе решения. Предлагаемая конфигурация кластера хранилища данных для аналитических запросов в банковской сфере позволит повысить надежность СУБД и удовлетворить требования к последующей масштабируемости. Автоматизация развертывания кластера путем механизма шаблонизации конфигурационных файлов в Ansible Playbooks позволяет настроить готовый кластер на новых серверах за минуты.
Бесплатно
Параллельное построение двоичного дерева на основе сортировки
Статья научная
Введение. Разработаны алгоритмы параллельного построения двоичного дерева. Алгоритмы выполнены на основе сортировки и описаны в конструктивной форме. Для множества из N элементов временная сложность имеет оценки T(R) = O(1) и T(R) = O(log2 N), где число процессоров R = (N2-N)/2. Дерево строится со свойством единственности. Алгоритмы инвариантны относительно вида входной последовательности. Целью работы являлась разработка и исследование способов ускорения процесса организации и преобразований древовидных структур данных на основе алгоритмов устойчивой максимально параллельной сортировки для их применения к базовым операциям информационного поиска в базах данных.Материалы и методы. Взаимно однозначное соответствие множества входных элементов и построенного для него двоичного дерева устанавливается при помощи устойчивой адресной сортировки. Сортировка обладает максимальным параллелизмом, в операторной форме устанавливает взаимно однозначное соответствие входных и выходных индексов...
Бесплатно
Перспективы технологии интернета вещей
Статья научная
Введение. Технология интернета вещей является одной из многообещающих инновационных технологий. С каждым годом все большее количество людей вовлекается в использование умных вещей. При этом относительно небольшое число работ посвящено исследованию социального значения технологии и опыта взаимодействия людей с этой технологией. Важно изучить особенности и перспективы технологии, проанализировать отношение и готовность людей ее применять. Материалы и методы. Проведен интернет-опрос, особое внимание в котором было уделено месту интернета вещей в жизни современного человека, его отношению к концепции устройств. Полученные данные обработаны и систематизированы. Результаты исследования. Анализ результатов опроса позволил сделать выводы относительно готовности молодых людей применять эту технологию. В ходе проведенного исследования раскрыто содержание понятия интернета вещей, описаны необходимые условия для существования и функционирования технологии, обобщены преимущества технологии интернета вещей, выделены взаимодействующие с этой технологией информационные технологии, перечислены задачи, которые требуют решения для успешного и эффективного внедрения IoT в российскую действительность. Обсуждение и заключения. Интернет вещей является технологией, которая при последовательном и системном решении ряда задач может стать значимым фактором развития как отдельных сфер жизни и деятельности, так и страны в целом. При этом важно изучать и учитывать социальное влияние распространения технологии. Это позволит увеличить доверие к IoT и устранить отрицательные воздействия. Как показывает опрос, молодежь стремится больше использовать умные вещи. Необходимо расширять круг умных вещей, увереннее вводить в образовательные программы основы практического применения технологии интернета вещей, широко обсуждать в средствах массовой информации проблемы, пути их решения и пилотные проекты, связанные с этой технологией. Благодаря этому можно подготовить не только практически заинтересованных в IoT людей, но и квалифицированные кадры, способные решать задачи по-новому.
Бесплатно
