Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика @vestnik-susu-cmi
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 351
Сглаживание ломаных линий составными сплайнами Безье
Статья научная
В работе рассматривается новый итеративный метод построения на плоскости гладкого сплайна, состоящего из кубических кривых Безье и повторяющего форму заданной ломаной линии с требуемой точностью. На каждой итерации метода выполняются следующие операции: выбор количества узлов интерполяции сплайна, размещение их на заданной ломаной линии по определенному правилу, построение гладкого составного сплайна Безье, проходящего через эти узлы, и оценка точности аппроксимации, то есть, близости построенного сплайна и заданной ломаной линии. Выбор положения узлов интерполяции сплайна на заданной ломаной линии выполняется с помощью сопоставления мер близости смежных кривых Безье, из которых состоит сплайн, и участков ломаной линии, которые аппроксимируют эти кривые. Приводятся примеры сглаживания ломаных линий различной сложности, в том числе ломаных линий с самопересечениями, подтверждающие эффективность предложенного метода. Результаты работы можно использовать в различных приложениях, например, при построении траектории движения автоматических транспортных средств и мобильных роботов, при проектировании технических объектов в системах автоматизированного проектирования, при картографической генерализации линейных картографических объектов, при проектировании шрифтов и др.
Бесплатно
Сегментация 3D моделей данных с помощью мультимодального динамического графа CNN
Статья научная
В работе предложен метод семантической сегментации облаков точек в виде рельефа местности с использованием мультимодальной архитектуры сверточной нейронной сети на основе регулярного динамического взвешенного графа, которая позволяет получать точное решение задачи семантической сегментации, используя комбинацию геометрических и цветовых признаков точек. Метод может быть эффективно использован для разреженных, зашумленных, неоднородных и невыпуклых облаков точек. В работе было проведено компьютерное моделирование известных методов для семантической сегментации 3D данных с использованием эталонной коллекции данных ModelNet 40 и набора данных археологических памятников бронзового века Южного Зауралья, а именно данных, полученных в результате тахеометрической съемки комплекса археологических памятников в долине реки Синташта с использованием тахеометра Trimble 3300. Был проведен сравнительный анализ предложенного метода и современных методов 3D семантической сегментации с разными комбинациями входных признаков облаков точек, также в работе исследовано влияние на точность семантической сегментации способа формирования облака точек: в первом случае исследовалось облако точек из эталонного набора данных во втором случае применены варианты с использованием 3D регистрации на основе алгоритма ICP (iterative closest point).
Бесплатно
Синхронизация в конкурентных структурах данных на основе анализа зависимостей между операциями
Статья научная
В работе рассматривается оптимизация синхронизаций операций в потокобезопасных структурах данных. В различных структурах данных операции могут по-разному конфликтовать друг с другом с точки зрения одновременного исполнения. Например, стандартная блокировка чтения—записи учитывает, что одновременное чтение из разных потоков часто допустимо, в то время как одновременная запись из разных потоков или параллельная запись и чтение требуют синхронизации. Такая зависимость может быть и более сложной: например, несколько одновременных операций увеличения всех элементов в контейнере на заданную величину допустимы с синхронизацией на уровне доступа к элементу, в то время как параллельное присвоение всем элементам контейнера одного числа из одного потока и другого числа из другого потока требует более сложной синхронизации. В представленной работе рассматривается новый подход к обеспечению синхронизации при выполнении операций с потокобезопасной структурой данных, основанный на анализе графа зависимостей между операциями, с целью обеспечения более эффективной работы такой структуры. Также приводятся результаты экспериментов по сравнению различных подходов, которые показывают эффективность предлагаемого решения.
Бесплатно
Синхронизация данных между таблицами специального вида и базой данных
Статья научная
Корректная автоматизация доступа к информации может быть выполнена за счет создания инструментальных средств, основанных на теории межмодельных отображений и обеспечении коммутативности преобразований данных. Данная статья посвящена технологии передачи данных между реляционной базой данных и табличным представлением данных специального вида. Структура таблицы является удобным средством работы пользователя, поскольку дает возможность не только редактировать данные, синхронизированные с базой данных, но и выполнять различные виды анализа с использованием электронных таблиц. В общем случае размер таблицы может быть огромным. В данной статье предлагается методика сокращения размера таблицы за счет логических ограничений при загрузке данных. При этом появляются две проблемы: фиктивные пустые значения и потеря пустых значений, необходимых для редактирования данных. В работе предложено решение этих проблем за счет использования промежуточного представления данных в виде запроса к базе данных, в котором присутствуют логические ограничения. Специальная форма этих ограничений, согласованная со стандартом SQL, является необходимым условием при решении проблемы пустых значений. Для этой цели формируются подмножества отношений из частичного порядка, который соответствует ссылочной целостности в базе данных. Полученные подграфы используются для формирования размерностей таблицы. В заключение статьи представлен анализ корректности преобразований.
Бесплатно
Система интеллектуального анализа данных физиологических исследований в спорте высших достижений
Статья научная
В работе представлена архитектура системы MedMining, которая предназначена для интеллектуального анализа данных физиологических исследований спортсменов. Система обеспечивает экспорт результатов измерений в хранилище данных. Поддерживается хранение как необработанных результатов измерений (значений, поступающих непосредственно с приборов), так и их обработанных аналогов (получаемых путем усреднения, аппроксимации или других интегрирующих действий над обработанными данными). Интеллектуальный анализ результатов измерений направлен на определение ключевых показателей результативности и эффективности методики тренировок, а также поиск трендов и аномалий в этих показателях для гибкого изменения тренировочного графика.
Бесплатно
Система учета посещаемости студентов на основе распознавания лиц
Статья научная
В настоящее время одним из значимых факторов для повышения качества подготовки специалистов является учет посещаемости студентов. Данный процесс может быть автоматизирован. В статье предлагается подход к построению системы учета посещаемости студентов на основе технологии распознаваниялиц, которая позволяет идентифицировать множество людей одновременно без прямого контакта с ними ибез использования дорогостоящего оборудования. Данный подход основан на сверточных нейронных сетях RetinaFace и ResNet, выбранных на основе обзора современных методов распознавания лиц, представленного в статье. Архитектура нашей системы учета посещаемости дополнена процедурами предобработкиизображений, которые по предложенной нами методике, основанной на мере BREN, проверяют качествоизображения и при необходимости применяют к изображению алгоритмы для уменьшения шума, повышения резкости, увеличения яркости и выравнивания цветов. Представлены результаты вычислительныхэкспериментов, показавшие более высокую эффективность предложенного подхода по сравнению с аналогами.
Бесплатно
Системный подход к суперкомпьютерному образованию
Статья научная
Система суперкомпьютерного образования создается в рамках выполнения проекта Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России «Создание системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения». В данной статье дается краткая характеристика создаваемой Системы, рассматривается ее структура и основные компоненты. Главный акцент делается на системность реализуемого подхода, позволяющую заложить основу для внедрения суперкомпьютерного образования в практику образовательных учреждений России.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются архитектура и сравнительные технические характеристики реконфигурируемых вычислительных систем (РВС) на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) семейства Xilinx Virtex-7: вычислительных модулей 24V7-750 и «Тайгета», устанавливаемых в вычислительный шкаф, и реконфигурируемого вычислительного блока «Калеано» для настольного использования. Рассматриваются также архитектура и компоновка РВС нового поколения на основе жидкостного охлаждения, приводятся результаты расчетов и макетирования основных технических решений. Рассматриваются технологии решения прикладных задач с помощью комплекса средств разработки прикладного программного обеспечения. РВС нового поколения на основе жидкостного охлаждения позволяют достичь производительности 1 Пфлопс в стандартном вычислительном шкафу высотой 47U при потребляемой мощности 150 кВт, обеспечивая, тем самым, существенное преимущество по таким технико-экономическим параметрам, как реальная и удельная производительность, энергоэффективность, массогабаритные характеристики и другим по сравнению с аналогичными системами.
Бесплатно
Создание симулятора для имитационного моделирования образовательного ресурсного центра
Краткое сообщение
Данная статья посвящена проблеме создания образовательных ресурсных центров, как средства организации экономически выгодного удаленного доступа образовательных учреждений к платному программному обеспечению. ЦОД образовательного ресурсного центра по- строен на базе инновационной технологии программно-конфигурируемых сетей, что позволяет эффективно решать проблемы маршрутизации и обеспечения качества обслуживания. Для исследования алгоритмов планирования виртуальных классов и виртуальных машин образовательного ресурсного центра необходимо создание его симулятора. С помощью диаграмм UML описывается проект создания симулятора - диаграмма вариантов использования показывает его функциональные возможности, а диаграмма деятельности - принцип его функционирования. Также разработана имитационная модель образовательного ресурсного центра, включая имитационные схемы всей системы в целом, вычислительного узла, коммутатора OpenFlow и контроллера OpenFlow.
Бесплатно
Соотношения между классами разбиений с ограничением на число частей
Статья научная
Работа посвящена исследованию связей между классами разбиений натурального числа n с ограничениями на число частей. Основное внимание уделяется разбиениям на ровно k попарно различных нечетных слагаемых. Для установления связи данного класса разбиений с классом разбиений с ограничением на величину частей в работе применяется операция сопряжения диаграмм Юнга. Это позволяет построить явную биекцию и доказать, что количество таких разбиений r(n, k) в точности совпадает с P((n−k²)/2, k) для числа n ≡ k (mod 2) и n ≥ k², части которых не превосходят k. На основе полученного соотношения, проводится сравнение асимптотик функций разбиений r(n, k), p(n, k) — количество разбиений числа n на ровно k частей, и q(n, k) — количество разбиений числа n на k различных частей. При k = O(n^(1/3)) доказано, что отношения q(n, k)/r(n, k) и p(n, k)/r(n, k) асимптотически стремятся к 2^(k−1) при n → ∞. Для численной верификации полученных теорем реализованы два алгоритма на основе динамического программирования. Первый алгоритм основан на рекуррентном соотношении для подсчета разбиений на различные нечетные части r(n, k), второй — на доказанной биекции и рекуррентной формуле для числа разбиений P(m, k), части которых не превосходят k. Вычислительные эксперименты показывают, что алгоритм, использующий установленную биекцию, обеспечивает существенный выигрыш в производительности при увеличении n. Разработанные алгоритмы также применены для проверки гипотезы Каргаполова о рангах группы центральных единиц целочисленного группового кольца знакопеременной группы A_n, связанных с разбиениями на различные нечетные части при дополнительных ограничениях. Вычисления, проведенные до n = 100000, подтверждают асимптотическое поведения величин с относительной погрешностью менее 0.1%.
Бесплатно
Сравнение областей истинности запросов к реляционной базе данных
Статья научная
В данной статье предлагается описание подходов аналитического сравнения пользовательских запросов к реляционной базе данных. Такое сравнение имеет целью установление возможности частичного или полного использования закэшированных на компьютере пользователя запросов к СУБД и основано на применении аппарата логики предикатов, где в качестве формул выступают логические ограничения SQL, а предикатами служат элементарные операции SQL. В случае, если результат выполнения пользовательского запроса полностью содержится в кэше, то данные можно взять оттуда, минуя запрос к удаленному серверу. Описанные подходы выражены в алгоритме использования кэшированных данных. Предложенный алгоритм также может быть использован для определения недостающих в кэше данных и последующего запроса только на эти данные. Для этого также используются аналитические вычисления, что экономит сетевой трафик и время на выполнение запросов и является принципиальным отличием данной технологии от существующих аналогов.
Бесплатно
Сравнение производительности пакетов симуляции квантовых вычислений QuEST и Intel-QS
Статья научная
В ближайшем будущем появятся квантовые компьютеры, пригодные для практического использования. Разработка квантовых алгоритмов может проводиться с использованием классических компьютеров и специализированного программного обеспечения, позволяющего симулировать работу квантовой схемы. Результаты моделирования могут использоваться для анализа алгоритма, а также способствуют ко-дизайну при разработке квантовых архитектур. Однако при планировании и выполнении численных экспериментов необходимо понимать возможности симуляторов и ограничения на параметры квантовой схемы, накладываемые характеристиками доступных классических вычислительных ресурсов. В работе представлены результаты вычислительных экспериментов по симуляции работы квантовых схем на идеальном квантовом компьютере с использованием пакетов QuEST и Intel-QS, а также собственной «наивной» реализации. Показаны ограничения на размер моделируемой квантовой системы N при использовании вычислительных систем различного класса - виртуальной машины, вычислительного сервера, вычислительного сервера с графическим ускорителем, суперкомпьютера (маскимальный достигнутый размер N = 33). Приведены характеристики производительности и масштабируемости рассматриваемых реализаций на общей и распределенной памяти (наблюдаемая эффективность масштабирования - 30 % и 70 % соответственно). Для пакета QuEST и собственной реализации представлена производительность при использовании графических сопроцессоров.
Бесплатно
Сравнение целевых функций в задаче Прони для аппроксимации данных измерений
Статья научная
В работе проводится сравнение двух целевых функций в задаче Прони аппроксимации данных измерений решениями линейного дифференциального уравнения заданного порядка с постоянными коэффициентами. Целевые функции различаются типом зависимости градиента от коэффициентов уравнения (линейная или со сложной нелинейностью) и являются 1) нормой невязки уравнения (линейный метод наименьших квадратов) или 2) нормой ошибки аппроксимации по А. Хаусхолдеру (вариационный метод идентификации). В последнем случае производится совместная оптимизация коэффициентов дифференциального уравнения и начальных условий решения. Для рассмотренных целевых функций вычислены константы локальной устойчивости решения задачи Прони с использованием локальных разложений зависимостей оптимальных коэффициентов уравнения как неявных функций от данных из условия равенства градиента целевой функции нулю. На этой основе предложен способ определения допустимой погрешности в данных задачи для обеспечения заданного уровня отклонения решения от истинного значения. На примере К. Ланцоша вычисления показателей экспонент по наблюдениям суммы трех экспонент с ошибками округления показано существенное преимущество (с точки зрения допустимой погрешности в данных) использования вариационной целевой функции. Адекватность используемых локальных показателей устойчивости для немалых возмущений проверяется численным экспериментом.
Бесплатно
Статья научная
Проводится сравнение эффективности CPU и GPU реализаций некоторых комбинаторных алгоритмов, используемых в криптоанализе. В частности, анализируются причины, по которым не удается эффективно реализовать на GPU алгоритмы, осуществляющие «интеллектуальный перебор». Показывается, что применение специальных техник трансформации потока управления позволяет существенно компенсировать потери производительности, возникающие из-за неэффективного исполнения условных переходов на SIMD-устройстве. Однако ограничения, которые накладывают механизмы работы с памятью, применяемые в современных GPU, для рассматриваемых алгоритмов оказываются непреодолимыми. В качестве тестовых задач рассматриваются задачи обращения криптографических функций DES и A5/1.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются методы численного решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) специального вида, возникающих при численном моделировании гидродинамических процессов в пористых средах и развития трещины гидравлического разрыва пласта (ГРП). Обсуждаемые методы используются в корпоративной линейке программного обеспечения, развиваемой в ПАО "НК "Роснефть". Особое внимание уделяется параллельным методам решения разреженных систем, применяемым в корпоративных симуляторах. Приводится математическая постановка задачи Академического турнира ПАО "НК "Роснефть" 2025 года, связанная с моделированием процесса ГРП. Особенностью задачи является совместное моделирование упругого поведения породы и течения жидкости в трещине, что приводит к необходимости многократного решения систем с матрицей блочного вида, содержащей как разреженные блоки, так и заполненный, отвечающий за уравнения геомеханики. Наличие заполненного блока существенно отличает рассматриваемые системы от классических разреженных систем гидродинамического моделирования и требует разработки специализированных алгоритмов. В рамках турнира участникам предлагалось решить последовательность из 551 СЛАУ специального вида. Проводится сравнительный анализ решений команд-финалистов с точки зрения эффективности используемых параллельных методов решения линейных систем.
Бесплатно
Краткое сообщение
В работе предложена динамическая модель конкурентного поведения предприятий сотовой связи в виде системы дифференциальных уравнений с запаздыванием. Реализованы численные методы и алгоритмы для решения задачи оптимального управления поведением операторов сотовой связи в условиях конкурентной борьбы за потребителей услуг связи. Сформулирована и решена задача оптимального управления поведением предприятий сотовой связи с постоянным запаздыванием с использованием принципа максимума Понтрягина для систем с постоянным запаздыванием. Получены условия оптимальности для решения задачи управления динамикой развития абонентской базы фирмы № 1. Реализован метод линеаризации системы нелинейных дифференциальных уравнений с запаздыванием и проведен поиск оптимального решения задачи посредством операций улучшения управления, повторяемых в итерационной процедуре, на примере метода Шатровского.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются существующие средства проектирования цифровых устройств в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), языки программирования реконфигурируемых вычислительных систем и возможность их использования при программировании многокристальных реконфигурируемых вычислительных систем. Также рассмотрены разработанные в НИИ МВС ЮФУ язык программирования высокого уровня COLAMO и комплекс средств разработки многокристальных решений на реконфигурируемых вычислительных системах. Особое внимание уделено новому подходу в программировании, заключающемуся в разработке и использовании настраиваемых проблемно-ориентированных софт-архитектур, которые позволяют сократить количество трансляций конфигурационных файлов ПЛИС при отладке параллельных программ на реконфигурируемых вычислительных системах. Проблемно-ориентированные софт-архитектуры дают возможность без перезагрузки файлов конфигурации ПЛИС вычислительного поля с помощью программной настройки изменять коммутацию между устройствами и создавать необходимые вычислительные структуры для решения прикладных задач пользователя, что существенно сокращает время отладки параллельных прикладных программ.
Бесплатно
Статически-детерминированный метод прогнозирования динамических характеристик параллельных программ
Статья научная
В статье рассматривается задача прогнозирования характеристик параллельных приложений. Изучаются динамические характеристики, описывающие выполнение параллельных приложений - время выполнения, количество операций с плавающей точкой, потребляемая электроэнергия, количество обращений в память и другие. Прогнозирование динамических характеристик позволяет решать многие проблемы, связанные с проектированием новых архитектур, выбором наиболее подходящих конфигураций многопроцессорных систем для решения конкретных задач, портированием приложений на новые системы, планированием потоков задач и многие другие. Задача прогнозирования характеристик активно исследуется. Возрастающая сложность архитектур современных высокопроизводительных систем требует разработки новых методов решения задачи прогнозирования. В статье дается обзор существующих подходов и программных средств для прогнозирования динамических характеристик и предлагается подход, основанный на статическом анализе исходного кода параллельного приложения. На основе текста параллельной программы, формального описания целевой вычислительной платформы и параметров запуска реализован метод, позволяющий прогнозировать время работы, количество выполненных операций вещественной арифметики, обращения к памяти и другие характеристики параллельного приложения. Применимость предложенного подхода продемонстрирована на примере решения тестовой трехмерной задачи численного моделирования на многопроцессорном кластере на базе процессоров IBM Power8.
Бесплатно
Статья научная
При параллельной реализации итерационных численных методов на регулярных сетках возникает необходимость в статической или динамической балансировке вычислительной нагрузки. Для исследования того или иного алгоритма балансировки нагрузки важно проводить его разносторонее тестирование на множестве различных задач рассматриваемого класса с различными конфигурациями вычислителя и различными наборами входных данных задач. В статье представлен тестовый стенд, предназначенный для автоматизации проведения такого тестирования. Он позволяет описать прикладную задачу и подключить реализацию алгоритма статической или динамической балансировки вычислительной нагрузки для последующего тестирования на мультикомпьютере. На выходе стенд предоставляет информацию о том, как происходило исполнение итерационного сеточного метода с точки зрения баланса вычислительной нагрузки. Приведен пример использования стенда для исследования диффузионного алгоритма динамической балансировки нагрузки на процессоры мультикомпьютера.
Бесплатно
Структурно-иерархическая дидактическая модель электронного обучения
Статья научная
В данной статье описывается оригинальная структурно-иерархическая дидактическая (СИД) модель электронного обучения В основе модели лежит четырехуровневая методическая база знаний. Первый уровень включает в себя комплекс электронных учебных энциклопедий по различным областям знаний. Второй уровень включает в себя электронные учебные курсы. Модель поддерживает структурирование электронного учебного курса по дидактическим компонентам (вертикальное слоение) и уровням детализации (горизонтальное слоение). Третий уровень включает в себя комплекс рабочих учебных программ. Четвертый уровень включает в себя комплекс ФГОС ВО. Отличительной особенностью СИД модели является деление образовательных объектов на дидактические компоненты. Это позволит, во-первых, производить автоматическую верификацию дидактической полноты электронного учебного курса. Во-вторых, включать части одного курса в другой без потери дидактической структуры. В-третьих, выделять из электронного учебного курса отдельный дидактический слой и на его основе автоматически формировать специализированные учебно-методические материалы: конспекты лекций, сборники задач, экзаменационные тесты и др. Описаны основные операции СИД модели, на основе которых предложены алгоритмы по анализу образовательных программ и электронных учебных курсов. В заключении дается краткая сводка результатов и направления дальнейших исследований.
Бесплатно
