Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Вестник Донского государственного технического университета
Применение генетического алгоритма для решения задачи покрытия множеств
Статья научная
Рассматриваются взвешенная и невзвешенная задачи нахождения минимального покрытия множеств, а также ее применимость для решения важнейших оптимизационных практических задач, таких как размещение пунктов обслуживания, назначение экипажей на транспорте, проектирование интегральных схем и конвейерных линий. Цель статьи - описание методов повышения эффективности решения данной задачи. Сформулирован принцип работы генетического алгоритма и возможность использования его модификации в качестве метода решения задачи покрытия множеств. Рассматривается жадная стратегия Хватала для решения задачи покрытия. Для решения задач небольшого размера разработан алгоритм полного перебора в качестве точного алгоритма. Описан модифицированный генетический алгоритм, разработанный Нгуеном М. Х. Создано программное средство для сравнения производительности этих алгоритмов. Сделаны выводы о том, что решение задачи покрытия множеств разработанной модификацией генетического алгоритма более эффективно, чем генетическим алгоритмом Нгуена М. Х. и жадной стратегией, причем в задачах небольшого размера полученные результаты отличаются небольшой погрешностью.
Бесплатно
Статья научная
Использование инструментов интеллектуального анализа данных и машинного обучения становится все более распространенным явлением. Их полезность особенно заметна в случае больших наборов данных, когда информация, которую необходимо найти, или новые взаимосвязи извлекаются из информационного шума. Развитие этих инструментов означает, что исследуются наборы данных с гораздо меньшим количеством записей, обычно связанных с конкретными явлениями. Такая специфика чаще всего приводит к невозможности увеличения количества случаев, а это может облегчить поиск зависимостей в изучаемых явлениях. В статье рассмотрены особенности применения выбранных инструментов к небольшим наборам данных. Предприняты попытки представить методы подготовки данных, методы расчета производительности инструментов с учетом специфики баз данных с небольшим количеством записей. Предложены избранные автором методики, которые помогли выйти из тупика в расчетах, т. е. получить результаты, намного хуже ожидаемых. Необходимость применения методов повышения точности прогнозов и точности классификации была вызвана небольшим количеством анализируемых данных. Эта статья не является обзором популярных методов машинного обучения и интеллектуального анализа данных, тем не менее собранный и представленный материал поможет читателю сократить путь к получению удовлетворительных результатов при применении описанных вычислительных методов.
Бесплатно
Применение раскрашенных временных сетей Петри для моделирования цементного производства
Статья научная
Целью работы является создание модели сложного распределенного объекта - цементного производства на основе раскрашенных временных сетей Петри, ее анализ и оценка с точки зрения эффективности и достоверности. В работе рассмотрены различные виды сетей Петри, способы их задания и динамика работы. Для раскрашенных временных сетей Петри сформулирован алгоритм функционирования в матричной форме. На основе раскрашенных временных сетей построена математическая модель, позволяющая спрогнозировать объем цементного производства за определенный период. Модель реализована на языке программирования C++. Проведено сравнение результатов моделирования с фактическими данными. Установлено, что реализованная модель с достаточной точностью предсказывает объем выпуска продукции цементного производства. Разработанные методы работоспособны и применимы в моделировании производственных процессов в составе автоматизированной системы управления технологическими показателями.
Бесплатно
Применение численных фундаментальных решений в методе точечных источников поля
Статья научная
Целью работы является получение интегрального уравнения, с помощью которого, используя известное фундаментальное решение другого уравнения, возможно численным методом найти фундаментальное решение линейного уравнения эллиптического типа. Вводится понятие численного фундаментального решения (ЧФР). Полученные таким образом численные фундаментальные решения (ЧФР) могут быть использованы при решении краевых задач для уравнений эллиптического типа различной размерности с помощью метода точечных источников поля (МТИ). Результатом работы является создание эффективного численного метода решения краевых задач с использованием ЧФР. Это позволяет расширить круг решаемых с помощью МТИ задач. Таким образом, МТИ выступает в качестве универсального численного метода при решении краевых задач для линейных уравнений эллиптического типа. Особенно эффективно применение предложенного способа при решении трехмерных задач Дирихле для уравнений со сферически симметричными фундаментальными решениями. В качестве тестовой задачи предложенным способом решено уравнение Шредингера для одномерного квантового осциллятора. Показано, что, используя фундаментальные решения уравнения Шредингера, полученные численно, удается найти собственные значения и собственные функции квантового осциллятора. Найденные собственные функции осциллятора соответствуют известным аналитическим решениям квантовой задачи. В качестве другого тестового примера решается двумерная краевая задача для уравнения Гельмгольца. В этом случае предварительно находится численное фундаментальное решение для уравнения Гельмгольца. Вычислены зависимости погрешности численного решения от числа узлов в области решения задачи. На основании полученных результатов делается вывод о перспективности предложенного численного метода.
Бесплатно
Пример оценки близости управлений, синтезированных на основе принципа максимума и метода АКАР
Статья научная
Введение. Рассмотрен частный случай синтеза одной и той же электромеханической системы управления методом максимума Понтрягина и методом синергетического синтеза. В качестве задачи была определена задача синтеза оптимальной по быстродействию электромеханической системы позиционирования, при этом момент сопротивления движению линейно зависел от выходной координаты системы. Этот подход к выбору задачи синтеза был обусловлен тем, что синтез оптимальных по быстродействию систем является одной из самых широко распространенных задач, которая решается при повышении эффективности действующих систем управления.Материалы и методы. Синтез оптимальной по быстродействию линейной системы управления на основе принципа максимума — широко распространенная задача в современной теории управления. Однако процедура синергетического синтеза такой формализации не имеет. Исходя из этого, в статье предложен подход, сближающий эти два метода, который, по мнению авторов, позволит повысить эффективность метода синергетического синтеза, добавив в него некоторые особенности методологии синтеза оптимальных систем...
Бесплатно
Статья научная
Введение. При математическом конечноэлементном моделировании используется усредненное значение механических характеристик материала деформируемых твердых тел. В авиа-, машиностроении, строительстве, медицине и других областях все шире применяются полимерные композитные материалы и материалы природного происхождения. В последнем случае реальное изменение механических характеристик значительно отличается от усредненного, следовательно, при использовании усредненных параметров для построения и анализа конечноэлементных моделей результаты могут существенно искажаться. В данной статье описано создание математических методов исследования изменения механических характеристик материала неоднородных деформируемых твердых тел. Полученные таким образом результаты применены для построения конечноэлементных моделей и анализа их напряженно-деформированного состояния.Материалы и методы. В качестве неоднородных деформируемых твердых тел рассмотрены материалы природного происхождения и композиты...
Бесплатно
Проблема обеспечения производительности доверенных систем управления с глубинным обучением
Статья научная
Введение. Рассмотрены значение машинного обучения в условиях цифровой трансформации промышленности, методы реализации глубинного обучения для обеспечения производительности доверительных систем управления. Определена необходимость использования для глубинного машинного обучения сверточных искусственных нейронных сетей. Кратко рассмотрены различные технологии и архитектуры реализации искусственных нейронных сетей, проведен сравнительный анализ их производительности. Целью работы является исследование необходимости разработки новых подходов к архитектуре вычислительных машин для решения задач глубинного машинного обучения при реализации доверительной системы управления.Материалы и методы. В условиях цифровой трансформации использование искусственного интеллекта выходит на новый уровень. В основе технической реализации искусственных нейронных систем с глубинным машинным обучением лежит использование одной из трех базовых технологий: высокопроизводительных вычислений (HPC) с параллельной обработкой данных, нейроморфных вычислений (NC) и квантовых вычислений (QC).Результаты исследования. Проведен анализ моделей реализации глубинного машинного обучения, базовых технологий и архитектуры вычислительных машин, а также требований по обеспечению доверия к системам управления, использующих глубинное машинное обучение. Выявлена проблема дефицита вычислительных мощностей для решения таких задач. Ни одна из существующих технологий не позволяет решать полный комплекс задач обучения и импеданса. Современный уровень технологий не обеспечивает информационной безопасности и надежности работы нейронных сетей. Практическая реализация доверенных систем управления с глубинным машинным обучением на базе имеющихся технологий для существенной части задач не обеспечивает достаточной производительности.Обсуждение и заключения. Проведенное исследование позволило выявить проблему дефицита вычислительных мощностей для решения задач глубинного машинного обучения. На основе анализа требований к доверенным системам управления определены объективные сложности их реализации на базе существующих технологий и установлена необходимость разработки новых подходов к архитектуре вычислительных машин.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Благодаря модулю прогнозирования траекторий движения динамических объектов беспилотный автомобиль способен безопасно двигаться по дорогам общего пользования. Однако все современные методы прогнозирования оценивают производительность только в городских условиях и не рассматривают свою применимость к домену проселочных дорог. Цель данного исследования заключается в анализе адаптивности существующих методов прогнозирования и разработке подхода, который будет демонстрировать лучшую производительность при работе в новых условиях.Материалы и методы. В качестве решения предлагается использовать нейронную сеть, включающую в себя следующие подмодули: графовый кодировщик сцены, мультимодальный декодировщик траекторий, модуль фильтрации траекторий. Также предлагается применить адаптированную функцию потерь, которая штрафует сеть за генерацию траекторий, выходящих за границы дорожного полотна. Данные элементы задействуют распространённые практики решения задачи прогнозирования, а также адаптируют её для домена проселочных дорог.Результаты исследования. Проанализированы основные отличия и условия работы модуля прогнозирования в условиях проселочных дорог. Выполнена симуляция нового домена путем модификации существующих наборов данных. Проведено сравнение популярных методов прогнозирования и оценена их применимость к новым условиям. Представлен новый, более адаптивный к новому домену, подход.Обсуждение и заключение. Проведенное сравнение с другими популярными методами показывает, что предложенное авторами решение обеспечивает более точные результаты прогнозирования. Также были выявлены недостатки предложенного подхода и описаны возможные пути их устранения.
Бесплатно
Прогнозирование сроков доставки товаров в цепях поставок с использованием методов машинного обучения
Статья научная
Введение. Развитие торговли требует внедрения технологий искусственного интеллекта и машинного обучения для повышения точности прогнозов доставки. Опубликованные на сегодня научные изыскания в этой области представляются недостаточными по двум причинам. Первая: рассматриваются главным образом глобальные цепи поставок, хотя вопрос актуален и для локальных бизнесов. Вторая: прогнозирование, как правило, требует больших объемов данных для машинного обучения и значительных вычислительных ресурсов, недоступных основной массе компаний. Представленное исследование призвано восполнить эти пробелы и показать эффективность использования открытых, доступных данных и известных алгоритмов. Цель работы — описать схему обоснованного выбора наименее ресурсоемкой модели прогнозирования доставки на основе анализа алгоритмов машинного обучения. Материалы и методы. Использовался набор открытых данных DataCo Smart supply chain for big data analysis о поставках в онлайн-торговле. Для обработки и анализа информации задействовали методы очистки данных, устранения мультиколлинеарности, нормализации и кодирования категориальных признаков. С очищенными данными работали алгоритмы: Decision tree, Random forest, K-nearest neighbors, Naive Bayes, Linear discriminant analysis, XGBoost, CatBoost, LightGBM, AdaBoost и Perceptron. Результаты исследования. Базовым алгоритмом для модели прогнозирования доставки стал алгоритм дерева решений (Decision Tree). Этот выбор обусловлен высокой точностью, простотой использования и низким риском переобучения. Оценка модели показала высокий и близкий к единице коэффициент детерминации (0,986). При этом фиксируются низкие значения среднеквадратичной ошибки (0,0367) и средней абсолютной ошибки (0,0324). Модель показала удовлетворительные результаты по времени, затраченному на обучение (3,3087 с) и на прогнозирование (0,0051 с). Фактические и предсказанные значения почти идеально совпали. Отклонения от фактических значений оказались минимальными. Обсуждение и заключение. Предложенная модель эффективна и обладает высокой предсказательной способностью. Качественное прогнозирование сроков доставки товара возможно без привлечения обширных баз данных и мощных вычислительных ресурсов. Исследование открывает перспективу качественной организации логистических операций для средних и малых предприятий. В дальнейших изысканиях целесообразно интегрировать в модель данные о погоде, дорожной ситуации и другие показатели. Использование такой информации в режиме реального времени повысит адаптивность и точность прогнозирования.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена разработке математической модели уровня подземных вод месторождения цементного сырья, расположенного в задонско-елецком водоносном горизонте, являющимся основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города Липецка. Поэтому на стадии разработки месторождения необходимо проводить постоянный мониторинг и иметь возможность прогнозирования уровня подземных вод.Цель работы — идентификация и исследование динамической окрестностной модели с переменными иерархическими окрестностями уровня подземных вод, позволяющей с достаточной точностью прогнозировать значение уровня вод в обследуемых скважинах.Материалы и методы. Приведено определение динамической окрестностной модели с переменными иерархическими окрестностями, отличающейся изменяющимися во времени двухуровневыми окрестностными связями между узлами первого и второго уровня. В каждый следующий дискретный момент времени узлы окрестностной модели меняют свое состояние под воздействием текущих управлений и состояний узлов, входящих в их окрестности. В качестве частного случая рассмотрена модель с линейными функциями пересчета состояний. Параметрическая идентификация динамической окрестностной модели заключается в нахождении параметров системы для каждого узла второго уровня и основана на методе наименьших квадратов.Результаты исследования. Разработана линейная динамическая окрестностная модель с переменными иерархическими окрестностями для прогнозирования уровня подземных вод месторождения цементного сырья, расположенного в задонско-елецком водоносном горизонте. Для параметрической идентификации и моделирования функционирования рассматриваемой динамической окрестностной модели разработано программное обеспечение на языке C++, позволяющее для заданной структуры находить параметры функций пересчета состояний узлов, а также прогнозировать поведение модели в процессе функционирования. Приведена иерархическая структура и проведена параметрическая идентификация линейной динамической окрестностной модели уровня подземных вод. После выполнения параметрической идентификации на обучающей выборке данных математическая модель проверена на контрольной выборке.Обсуждение и заключения. Полученные средние относительные ошибки идентификации и прогноза свидетельствуют об адекватности разработанной модели и позволяют рекомендовать ее для прогнозирования уровня подземных вод месторождения цементного сырья.
Бесплатно
Проектирование контрольно-измерительных компонент распределительных энергетических систем
Статья научная
Введение. В последние годы развитие высоковольтных энергетических систем получило новый импульс в связи с необходимостью инфраструктурного обеспечения территорий опережающего развития. Нужны универсальные модели и алгоритмы для реализации процессов в энергетических компонентах и выявления их оптимальных параметров. Однако такие решения отсутствуют. Соответственно, нет готовых подсистем с алгоритмами управления и оптимизации, адекватными рассматриваемым задачам. Цель представленного исследования - разработка подсистемы оптимизации при проектировании контрольно-измерительных компонент распределительных энергетических систем.Материалы и методы. Используются методы построения автоматизированных систем проектирования, оптимизации, системного анализа, математического моделирования и адаптивного управления. При выборе методов исходили из того, что компоненты распределительных электрических систем состоят из конечного числа элементов. Синтез энергетической системы включает десятки или сотни последовательных операций. Это учтено в разработанных моделях и алгоритмах.Результаты исследования. Показаны возможности управления и контроля технологических процессов (ТП) производства компонент низковольтных распределительных энергетических систем в плане проверки работоспособности и корректности функционирования технологического оборудования. Создана модульная структура, позволяющая интегрировать выходные файлы САПР в процессы производства. Разработана функциональная схема подсистемы управления и контроля технологических процессов производства компонент распределительных энергетических систем. Предложенная принципиальная схема контроля производства показывает, каким образом в контроле операций задействованы подсистема сбора данных, система управления и управляющие механизмы. Созданная в рамках данной работы многоуровневая модель модуля оптимизации последовательно оптимизирует интенсивность обслуживания i-го блока, коэффициенты разделения входного потока и приоритеты исходных потоков данных, образующих входной поток i-го блока.Обсуждение и заключение. Комплексное применение методов моделирования, системного анализа, оптимизации обеспечивает контроль точности формируемых энергетических компонент. Алгоритм управления электрическими нагрузками открывает возможности для создания математической модели системы энергоснабжения, которая объединяет управление, контроль, мониторинг, что в конечном счете ведет к улучшению качества электроэнергии. Решение может быть востребовано при развитии энергетических систем территорий опережающего развития
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является использование потенциала наукоёмких и универсальных машиностроительных САПР ТП путём их адаптации для решения сложных специализированных задач обувного технологического проектирования, что позволит обеспечить предприятиям отрасли переход на качественно новый уровень решения конструкторско-технологических задач. Теоретической и методологической основой исследования послужили теория моделирования сложных систем, теория исследования операций, метод системно-структурного анализа объектов, метод классификации и кодирования, методология разработки информационных систем, создания баз данных и баз знаний, математическая логика, методика априорного ранжирования факторов. На основе анализа типовой технологии производства обуви и аналогичных методик производства, применяемых на современных обувных предприятиях, разработан сводный технологический процесс сборки обуви различных методов крепления, состоящий из 310 технологических операций, каждой из которых присвоен код. С целью формализации данных о деталях низа обуви составлен перечень структурных блоков, отражающих конструктивно-технологические характеристики обуви, а в пределах каждого блока выделены кластеры, от которых зависит тот или иной набор и последовательность выполнения операций. На основе информации, полученной в результате системно-структурного анализа, разработаны структурно-логические модели проектирования технологического процесса сборки обуви различных методов крепления. Схематичная форма наглядно отображает логику взаимосвязи между кластерами и технологическими операциями. Для обеспечения оперативной, нормативной и информационной поддержки ТПП обувных предприятий была разработана БД «ОбувьПро», позволяющая решать задачи по проектированию технологического процесса на обувном предприятии.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Рассмотрены принципиально важные проблемы отображения и преобразования структуры, функций и параметров различных свойств в системах организации информационных объектов знаний, а также функционально различных параметров в процессах управления преобразованиями материальных объектов. Для этого используются соответственно структурно-функционально-параметрические модели и параметрические модели.Разграничение этих понятий актуально и практически значимо. Научная новизна представленной работы заключается в изучении методов и информационных средств, используемых для определения функционально различных технологических схем взаимодействия объектов стадий конструкторской и технологической подготовки производства.Материалы и методы. Понятие «структурно-функционально-параметрическая модель» связано с определением структуры основных базовых объектов знаний предметной области. В данном случае «связующая база» - это методы и соответствующие средства системной инженерии в технологии информационного логического моделирования, которые используются для решения практических задач...
Бесплатно
Статья научная
Введение. Проблемы, связанные с размещением виртуальных объектов в реальной среде, существенно ограничивают возможности технологии дополненной реальности (AR). Такая ситуация выявляет пробел в научных знаниях, требующий дополнительного исследования. Поэтому основной задачей данного исследования явилась разработка метода оптимального размещения виртуальных объектов, при котором происходит минимизация целевой функции комфортности. Такой подход направлен на усовершенствование систем AR и развитие соответствующей теории.Материалы и методы. Проведенное исследование основывается на анализе размещения виртуальных объектов в AR/VR приложениях с особым акцентом на оптимизацию. Было предложено понятие комфортности размещения, учитывающее размеры объекта и расстояния до границ свободного пространства по координатам X, Y, Z.Результаты исследования. В рамках исследования были получены формулы для оптимального размещения объектов с произвольной функцией комфортности. Основным критерием является минимизация разницы между уровнями комфортности с разных сторон объекта. Было выявлено, что успешное размещение объектов требует учета их размеров и зон комфортности, а также решения системы из n линейных уравнений.Обсуждение и заключение. Полученные результаты представляют собой важный вклад в исследование проблемы размещения виртуальных объектов в AR/VR/MR. Они открывают новые возможности для улучшения взаимодействия с пользователями и проведения дальнейших исследований в области пространственных вычислений. Возможными направлениями для дальнейшего развития являются динамические корректировки и интеграция полученных результатов в различные XR-сценарии.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Компьютерное зрение широко используется для семантической сегментации данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Метод позволяет контролировать экосистемы, в том числе водные. Востребованы алгоритмы, обеспечивающие качество семантической сегментации снимков ДЗЗ, в частности, для выявления областей с фитопланктоном, где возможно цветение воды - причина заморов. Цель исследования - создание алгоритма, обрабатывающего спутниковые данные как входную информацию для формирования и верификации математических моделей гидродинамики, по которым отслеживается состояние водных объектов. В литературе описаны различные алгоритмы семантической сегментации. Новые исследования сосредоточены на повышении надежности распознавания - чаще с помощью нейросетей. Этот подход совершенствуется в представленной работе. Для развития направления предлагаются новый набор сведений из открытых источников и синтетические данные для улучшения обобщающей способности модели. Впервые область контура фитопланктонной популяции сравнивается с базой данных - и так формируются граничные условия для реализации математических моделей и построения гранично-адаптивных сеток.Материалы и методы. Набор снимков ДЗЗ дополнили с помощью авторского аугментационного алгоритма на языке Python. Компьютерное зрение сегментировало области фитопланктонных популяций на снимках. Сверточную нейронную сеть (СНС) U-Net обучили на базе ускорителей вычислений NVIDIA Tesla T4.Результаты исследования. Для автоматизации обнаружения областей распространения фитопланктона разработан алгоритм компьютерного зрения, основанный на СНС U-Net. Модель оценили по вычисленным значениям основных метрик качества, относящихся к задачам сегментации. Получены следующие значения метрик: Precision = 0,89, Recall = 0,88, F1 = 0,87, Dice = 0,87 и IoU = 0,79. Графическая визуализация результатов обучения СНС на обучающем и валидационном наборах показала хорошее качество обучения модели. Об этом свидетельствуют малые изменения функции потерь в конце обучения. Выполненная моделью сегментация оказалась близка к ручной разметке, что говорит о высоком качестве предложенного решения. По площади одного пикселя рассчитали площадь сегментированной области фитопланктонной популяции. Полученный результат для исходного изображения - 51202,5 (по информации о количестве пикселей, относящихся к цветению сине-зеленых водорослей). Соответствующий итог моделирования - 51312.Обсуждение и заключение. Исследование расширяет теоретические и практические знания о применении сверточных нейронных сетей для семантической сегментации данных космических снимков. Учитывая итоги работы, можно оценить потенциал автоматизации процесса семантической сегментации данных ДЗЗ для определения границ фитопланктонных популяций с помощью искусственного интеллекта. Применение предложенной модели компьютерного зрения для получения контуров цветения воды из-за фитопланктона позволит создать базы данных - основу для экологического мониторинга водных ресурсов и прогностического моделирования гидробиологических процессов.
Бесплатно
Разработка архитектуры по подключению системного модуля для людей с ограниченными возможностями
Статья научная
Введение. Для разработки новых системных модулей программного обеспечения помощи сотрудникам с ограниченными возможностями требуется проработать архитектурное решение для взаимодействия всех частей системы. В результате анализа и проектирования необходимо получить программную архитектуру, которая должна выполнять ряд стандартных требований. В первую очередь, она должна быть безопасной. Для этого следует учитывать систему логирования ошибок, аудирование событий, возможность отключения функционала непосредственно после вывода в промышленную эксплуатацию, внутренние механизмы валидации входных запросов клиента и ответов сервера. Данная работа посвящена выработке основных вариантов обслуживания системы, анализу исключительных ситуаций при взаимодействии с пользователем для дальнейшей оценки эффективности архитектуры и непосредственной разработки проекта. Материалы и методы. Архитектурное решение проводилось при помощи языка графического описания (Unified Modeling Language, UML), который помогает строить визуальные изображения жизненного цикла и взаимодействия всех компонентов системы. Для проработки взаимодействия основных модулей будущей системы использовался синтаксис диаграммы развертывания (deployment diagram UML). Для обработки жизненного цикла - синтаксис диаграммы последовательности действий (sequence diagram UML). Помимо этого, использовалась диаграмма прецедентов для описания основных сценариев использования. Результаты исследования. Разработана архитектура, имеющая схему взаимодействия отдельных модулей и систем, а также варианты использования программного комплекса для будущей реализации программного продукта. Предложенная архитектура системы соответствует требованиям безопасности, надёжности (отказоустойчивости) и производительности. Авторами зафиксированы функциональные требования системы помощи сотрудникам предприятий с проблемами слуха для возможности их трудоустройства и работы по телекоммуникационной сети интернет. Выработаны основные вариации обслуживания системы. Обсуждение и заключения. Построение грамотной архитектуры позволяет учесть ситуации, выходящие за рамки нормального использования системы, а также использовать нечеткую модель для определения эффективности системы. Дальнейшее углубленное описание вариантов развёртывания и эксплуатации позволит реализовать эффективную и производительную систему.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Научное направление «природные вычисления» в последнее время широко используется для решения оптимизационных NP-полных задач, в том числе комбинаторных задач криптоанализа. В статье приводится краткий обзор публикаций, посвященных применению природных (биоинспирированных) методов для криптоанализа. Основной целью работы является исследование возможности применения алгоритмов пчелиных колоний для реализации криптоанализа блочных шифров. Материалы и методы. Для решения данной оптимизационной задачи применяются известные методы пчелиных колоний, относящиеся к сравнительно новому классу биоинспирированных оптимизационных методов, имитирующих процессы, протекающие в живой природе. Приводится описание и структурная схема алгоритма колонии пчел для решения задачи криптоанализа, отмечаются основные операции, выполняемые параллельно на глобальном уровне. Далее определяется множество независимых операторов, допускающих параллельное выполнение. С этой целью строятся информационно-логические граф-схемы алгоритма с введенными связями по управлению и по информации, а также формируются матрицы следования, логической несовместимости и независимости. По данной матрице независимости возможно определение множества операторов алгоритма, которые допускают параллельное выполнение. При этом размерность максимального внутренне устойчивого множества определяет максимальное число процессоров, используемых для реализации алгоритма. Результаты исследования. Основными результатами являются теоретические оценки временной сложности алгоритма пчелиных колоний. Кроме того, приводится решение задачи: для алгоритма криптоанализа на основе построенного информационно-логического графа и для заданного времени найти необходимое наименьшее число процессоров однородной вычислительной системы и план выполнения операторов на них. Приводится оценка необходимого минимального числа процессоров для реализации алгоритма криптоанализа, а также оценка общего Обсуждение и заключения. Основными результатами исследования являются: разработка алгоритма колонии пчел, используемого для решения задачи криптоанализа; описание его структурной схемы и основных параллельно выполняемых этапов; построение матрицы независимости; оценка числа процессоров для реализации алгоритма. Следует заметить (и это отмечалось в предыдущих работах), что отличительной особенностью применения биоинспирированных методов криптоанализа является возможность использования самого алгоритма шифрования (или расшифрования) в качестве целевой функции для оценки пригодности ключа, определенного с помощью операций биоинспирированного метода. Поэтому можно утверждать, что при использовании биоинспирированных методов процесс определения секретного ключа зависит не столько от сложности шифрующих преобразований, сколько от самого биоинспирированного метода, который должен обеспечивать достаточное разнообразие генерации ключей. времени реализации алгоритма
Бесплатно
Статья научная
Введение. При решении задач, требующих обработки большого объема данных, возникает проблема получения решения за приемлемое время. Одним из способов выполнения ограничения на временной ресурс является разделение всего объема вычислений между несколькими центрами обработки данных. Следовательно, задача разработки методов повышения быстродействия вычислительных систем и эффективности их использования является актуальной. В настоящей работе рассматривается разработка системы распределенных вычислений для обеспечения решения обратных задач в области механики разрушений. Целями работы являются проектирование и расчетно-экспериментальное обоснование системы для решения узко специализированного типа задач. В работе применяются такие программные комплексы как ANSYS, COMSOL и FlexPDE. Методология. Предложена методология, позволяющая использовать в качестве центров обработки обычные ПК, а не специализированные машины с предустановленным аппаратным обеспечением. Система не накладывает особых требований к аппаратной части компьютеров. Для функционирования системы необходима связь между ПК. Наличие качественной высокоскоростной сети является желательным, так как это упрощает процесс развертывания системы и увеличивает производительность вычислительного процесса. Проведен расчет конечно-элементной модели с большим набором параметров. Результаты исследования. Разработано новое программное обеспечение для обеспечения решения обратных задач в области механики разрушений. Реализована возможность использования системы для решения более широкого спектра задач. Были учтены особенности аналогичного ПО с целью повышения отказоустойчивости и уменьшения издержек, не связанных с решением задачи. Исполняющий модуль системы проводит вычисления в многопоточном режиме, поэтому аппаратные возможности вычислительных средств используются максимально рационально. Простота организации формата хранения данных и передачи их по сети позволила достигнуть наиболее оптимального использования доступных ресурсов. Обсуждение и заключения. Разработанная система распределенных вычислений применена при проведении конечно-элементного моделирования распространения ультразвуковой волны в стенке трубы с тонким внешним покрытием. В системе предусмотрено резервное копирование данных, что позволило сократить возможные потери расчетных данных при отказе некоторых компонентов системы.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Экологические проблемы, возникающие на мелководных водоёмах и вызываемые как природными, так и техногенными факторами, ежегодно наносят существенный ущерб аквасистемам и прибрежным территориям. Своевременно определить эти проблемы, а также пути их устранения возможно с использованием современных вычислительных систем. Но проведённые ранее исследования показали, что ресурсов вычислительных систем, использующих только центральный процессор, недостаточно для решения больших научных задач, в частности, по прогнозированию крупных экологических происшествий, оценке нанесенного ими ущерба и определению возможностей их устранения. Для этих целей предлагается использовать модели вычислительной системы и декомпозиции расчётной области для разработки алгоритма параллельноконвейерных вычислений. Целью данной работы является создание модели параллельно-конвейерного вычислительного процесса для решения системы сеточных уравнений модифицированным попеременнотреугольным итерационным методом с использованием декомпозиции трёхмерной равномерной расчётной сетки, учитывающей технические характеристики используемого для расчетов оборудования.Материалы и методы. Разработаны математические модели вычислительной системы и расчётной сетки. Модель декомпозиции расчётной области выполнена с учётом характеристик гетерогенной системы. Предложен параллельно-конвейерный метод решения системы сеточных уравнений модифицированным попеременнотреугольным итерационным методом.Результаты исследования. На языке CUDA С написана программа, реализующая параллельно-конвейерный метод решения системы сеточных уравнений модифицированным попеременно-треугольным итерационным методом. Проведённые эксперименты показали, что с увеличением числа потоков время вычислений уменьшается и при декомпозиции расчётной сетки рациональным является разбиение на фрагменты по координате z на величину, не превышающую 10. Результаты экспериментов подтвердили эффективность разработанного параллельно-конвейерного метода.Обсуждение и заключение. По итогам проведенных исследований разработана модель параллельноконвейерного вычислительного процесса на примере одного из самых трудоёмких этапов решения системы сеточных уравнений модифицированным попеременно-треугольным итерационным методом. Её построение основано на моделях декомпозиции трёхмерной равномерной расчётной сетки, учитывающей технические характеристики используемого в расчетах оборудования. Применение программы позволит ускорить процесс расчёта и равномерно по времени загрузить программные потоки. Проведенные численные эксперименты подтвердили математическую модель декомпозиции расчётной области.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Многокритериальную оптимизацию с учетом противоречащих друг другу критериев задействуют для улучшения эффективности производства, сокращения затрат, повышения качества продукции и экологической безопасности процессов. В литературе описано использование многокритериальной оптимизации для производственных целей, в том числе при выборе условий реакции и улучшении технологических процессов. В представленной работе объект исследования - это процесс гидрирования полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) при получении высокоплотных топлив. Для определения оптимальных условий процесса решается задача многокритериальной оптимизации на основе кинетической модели. Критерии: максимизация выхода целевых нафтенов и конверсия исходного сырья. Цель работы - создание программы, реализующей алгоритм многокритериальной оптимизации NSGA-II (англ. non-dominated sorting genetic algorithm II). Благодаря этому на основе кинетической модели можно рассчитать оптимальную температуру для процесса гидрирования ПАУ.Материалы и методы. Для решения многокритериальной задачи оптимизации применялся генетический алгоритм NSGA-II. Используется также измененный отбор родителей и выживания в рамках фронта Парето. При необходимости разделения фронта решения выбирались по манхэттенскому расстоянию между ними. Программа реализована на языке Python.Результаты исследования. В системе обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений химической кинетики концентрацию обозначили yi, условное время контакта реакционной смеси с катализатором - τ. Систему решили для реакции гидрирования полициклических ароматических углеводородов. Расчеты показали, что при τ = 0 y1(0) = 0,025; y2(0) = 0,9; y6(0) = 0,067; y9(0) = 0,008; yi(0) = 0, i = 3-5,7,8,10-20; Q(0) = 1. В качестве управляемого параметра рассматривали температуру процесса по двум критериям оптимальности: максимизация выхода целевых нафтенов (f1) в конце реакции и максимизация конверсии исходного сырья (f2). Значения f1 были в границах 0,43-0,79; конверсии - 0,01-0,03; температуры - 200-300 К. Рост температуры сопровождается увеличением выхода целевых нафтенов и снижением конверсии исходного сырья. Каждое полученное решение - неулучшаемое. При моделировании процесса гидрирования ПАУ запустили алгоритм с размером популяции - 100, количеством поколений - 100. Разработана программа, реализующая алгоритм NSGA-II. Рассчитано оптимальное множество значений температуры реакции гидрирования ПАУ, позволяющее получить неулучшаемые значения критериев оптимальности - максимизации выхода целевых нафтенов и конверсии исходного сырья.Обсуждение и заключение. Алгоритм NSGA-II эффективен для решения задачи недоминирования и вывода оптимального решения для всех критериев. Будущие исследования следует посвятить подбору оптимальных параметров алгоритма, позволяющих увеличить скорость решения. Опираясь на полученные теоретические оптимальные условия реакции гидрирования ПАУ, можно реализовать процесс в промышленности
Бесплатно
