Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 316
Статья научная
Рассмотрен подход к исследованию масштабируемости параллельных приложений с использованием средств анализа их работы. Для изучения масштабируемости в описанной методике используется наряду с профилированием приложения анализ его узких мест с помощью трассировщика. Приведен краткий обзор показателей эффективности работы параллельной программы, обзор подходов к изучению масштабируемости параллельных программ и инструментов для исследования параллельных приложений; описание методики исследования масштабируемости программы, а также детальное описание программы, которая использовалась для отработки методики. Приведены результаты исследования описанной параллельной программы с использованием профилирования работы и изучения трассировщиком. Для этих целей в качестве трассировщика был выбран Intel Trace Analyzer and Collector. В заключительной части сделаны выводы о применимости использованных инструментов анализа работы параллельных приложений для исследования масштабируемости.
Бесплатно
Исследование метода Пикара при решении обратной задачи Коши для уравнения теплопроводности
Статья научная
В данной работе поставлена и решена обратная задача Коши для уравнения теплопроводности. В этой задаче начальное распределение температуры неизвестно, а вместо него дано распределение температуры в момент времени t=T>0. Среди математических задач выделяется класс задач, решения которых неустойчивы к малым изменениям исходных данных. Они характеризуются тем, что сколь угодно малые изменения исходных данных могут приводить к большим изменениям решений. Хорошо известно, что данная задача некорректно поставлена. Для решения прямой задачи используется метод разделения переменных. Заметим, что метод разделения переменных совершенно неприменим для решения обратной задачи Коши, так как приводит к достаточно большим погрешностям, а также к расходящимся рядам. Иванов В.К. заметил, что если обратную задачу решать методом разделения переменных, а затем полученный ряд заменять частичной суммой ряда, у которой число слагаемых зависит от δ, N=N(δ), то в результате получим устойчивое приближенное решение. Метод Пикара использует регуляризующее семейство операторов {RN}, отображающих пространство L2[0,1] в себя. Приведены результаты вычислительных экспериментов и произведена оценка эффективности данного метода.
Бесплатно
Исследование нейросетевого метода решения задач линейного программирования
Статья научная
В статье исследован метод определения вектора движения по гиперплоскостям, ограничивающим допустимый многогранник многомерной задачи линейного программирования на основе визуальных образов, подаваемых на вход нейронной сети прямого распространения. Алгоритм визуализации строит в окрестности точки, расположенной на ограничивающей гиперплоскости, рецептивное поле. Для каждой точки рецептивного поля вычисляется скалярное смещение до поверхности гиперплоскости. На основании вычисленного смещения каждой точке рецептивного поля присваивается скалярная величина. Полученный визуальный образ подается на вход нейронной сети прямого распространения, которая вычисляет на ограничивающей гиперплоскости направление максимального увеличения целевой функции. В статье предложена усовершенствованная форма крестообразного рецептивного поля. Описано построение обучающего множества на основе случайно сгенерированных ограничивающих гиперплоскостей и целевых функций в многомерных пространствах. Разработана масштабируемая архитектура нейронной сети с изменяемым числом скрытых слоев. Произведен подбор гиперпараметров нейронной сети. В вычислительных экспериментах подтверждена высокая (более 98%) точность работы крестообразного рецептивного поля. Исследована зависимость точности результатов нейронной сети от числа скрытых слоев и продолжительности обучения.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается суперкомпьютерное моделирование динамического взаимодействия индентора и тканевых бронепластин, состоящих из 1 - 5 слоев ткани размером 10х10 см с возможностью разрушения нитей, расположенных на пластилиновом основании. Определены механические характеристики регистрирующей среды (технического пластилина). Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследовано влияние адаптации сетки в различных областях течения газа около крылового профиля на результаты решения в программном комплексе FlowVision. На основе этого исследования даны рекомендации по выбору критериев адаптации расчетной сетки для эффективного решения задач аэродинамики. Выводы, сделанные в данной статье, могут быть распространены на другие задачи внешней аэродинамики, которые исследуют обтекание объектов более сложных, чем крыловой профиль.
Бесплатно
Статья научная
Изучается одна ступенчатая (т.е. многоэтапная) задача оптимального управления терминального типа функционалом качества, описываемая дискретными двухпараметрическими системами уравнений типа Форназини-Маркезини при предположении выпуклости областей управления. Дискретная двухпараметрическая система уравнений типа Форназини-Маркезини представляет собой разностный аналог системы гиперболических уравнений второго порядка (иногда такие системы уравнений в западной литературе называют также 2D системами). Применяя модифицированный аналог метода приращений, получено специальное разложение функционала качества второго порядка c помощью линеаризованных разностных систем уравнений. Применяя один вариант метода приращений, установлено необходимое условие оптимальности первого порядка в форме линеаризованного (дифференциального) условия максимума. Отдельно изучен случай вырождения линеаризованного условия максимума (квазиособый случай). Используя представления решений линеаризованных разностных систем уравнений с помощью специальных формул приращения функционала качества, выведены конструктивно проверяемые квадратичные необходимые условия оптимальности квазиособых управлений.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается способ сокращения количества простаивающих ресурсов супер-ЭВМ за счет использования особенностей механизмов планирования заданий в современных системах пакетной обработки (СПО), в частности, особенностей алгоритма обратного заполнения (backfill algorithm). Рассмотрена схема работы разработанного авторами квазипланировщика - программного средства для утилизации простаивающих ресурсов супер-ЭВМ под управлением отечественной СПО - системы управления прохождением параллельных заданий (СУППЗ). Пользователи квазипланировщика при наличии простаивающих ресурсов могут без ожидания в общей очереди запускать на счет задания, выполнение которых возможно на произвольном числе процессоров из заданного пользователем диапазона. Приведены полученные в ходе недельного вычислительного эксперимента данные о влиянии работы квазипланировщика на показатели эффективности планирования - процент загрузки вычислителя и среднее приведенное время нахождения задания в очереди.
Бесплатно
Квантово-химическое моделирование термохимических свойств молекул высокоэнергетических тетразинов
Статья научная
В статье приведены результаты расчетов структурных и термохимических характеристик ряда потенциально высокоэнергетических соединений: C2N6O4, C2N6O5, C2N6O6, C2H2N6O4, C3HN7O6, C3HN7O4F2, C4N10O12, C3HN6O4F, C4N10O8F4, C4N8O8F2 с использованием квантово-химических ab initio методов. Квантово-химическое моделирование выполнено с применением прикладного программного комплекса GAUSSIAN 09. С использованием гибридного функционала плотности B3LYP проведен поиск оптимальной геометрии молекул, рассчитаны ИК-спектры поглощения, структурные параметры и смещения атомов для наиболее интенсивных колебаний. Методом атомизации получены величины энтальпий образования (ЭО). Расчеты выполнены с использованием комбинированных методов G4(MP2) и G4. Продемонстрирована зависимость ЭО от структуры молекулы. Приведены примеры использованных вычислительных конфигураций на базе нескольких вычислительных ресурсов, описаны некоторые особенности проведенных расчетов. Сделано сопоставление временных затрат и погрешностей при использовании разных методов на одинаковых структурах.
Бесплатно
Классификация мультимодальных данных о заболеваниях легких на основе позднего слияния модальностей
Статья научная
С развитием аппаратных технологий высококачественные рентгеновские снимки стали доступны для диагностики заболеваний легких с помощью специалистов-радиологов. Однако процесс диагностики занимает много времени и зависит от наличия в медицинском учреждении специалистов соответствующего профиля. В то же время информация о пациенте может включать не только рентгеновские снимки грудной клетки разного качества, а также результаты медицинских анализов, записи и предписания врача, сведения о приеме лекарств и другие. В данном исследовании предложена модель классификации легочных заболеваний на основе мультимодальных данных о клинических исследованиях пациентов и рентгенографических изображений. При подготовке данных использованы различные методы генерации искусственных образцов как для изображений, так и для табличных данных о результатах лабораторных исследований. Предложен метод установления соответствия для сгенерированных образцов между модальностями. Предложенная мультимодальная модель имеет архитектуру позднего слияния. Проведены эксперименты на наборах данных с одной и двумя модальностями. Предложенная модель показала точность на 5.5% выше, чем модели, основанные на одной модальности (91.3% против 86.11% на наборе данных из 1 156 пациентов).
Бесплатно
Колоночный сопроцессор баз данных для кластерных вычислительных систем
Статья научная
Статья посвящена вопросам проектирования и реализации колоночного сопроцессора баз данных для реляционных СУБД. Колоночный сопроцессор (КСОП) разработан на базе колоночной модели хранения данных и ориентирован на большие кластерные вычислительные системы. КСОП может работать как на обычных центральных процессорах, так и на сопроцессорах с архитектурой MIC. КСОП поддерживает колоночные индексы с суррогатными ключами, которые во фрагментированном виде хранятся в оперативной памяти кластерной вычислительной системы. Фрагментация осуществляется на основе доменно-интервального принципа. На запросах класса OLAP колоночный сопроцессор КСОП демонстрирует производительность, многократно превышающую производительность строчных хранилищ.
Бесплатно
Комплекс программ автоматического построения семантической сети слов
Статья научная
Семантическая сеть слов - это ориентированный граф, вершины которого - лексические значения слов, а ребра - отношения между ними. В статье представлен комплекс программ SWN, предназначенный для построения семантической сети слов в автоматическом режиме путем структурирования неразмеченных словарей синонимов и словарей родо-видовых отношений с использованием векторных представлений слов,полученных на основе обработки корпуса неструктурированных текстов на естественном языке. Комплекс программ включает в себя реализацию методов обнаружения групп синонимов и построения отношений между отдельными значениями слов, основанных на обучении без учителя, а также модуля расширения отношений, основанного на обучении с учителем. Приведена модель предметной области с использованием формализма VOWL. Архитектура комплекса программ представлена в формализме UML и включает модуль обнаружения понятий, модуль построения семантических отношений между значениями слов,модуль расширения семантических отношений, модуль преобразования результатов работы в форматы Семантической паутины, и модуль построения оценочного набора данных при помощи краудсорсинга. Представленный комплекс программ является программным обеспечением с открытым исходным кодом и доступен для интеграции в различные системы интеллектуального анализа данных.
Бесплатно
Компьютерная реализация операций с нечеткими числами
Статья научная
В данной работе рассматривается проблема представления нормальных нечетких чисел в виде, приемлемом для компьютерной реализации. В частности, приведено исследование арифметики нечетких чисел с использованием множеств уровня нечеткого числа, а также освещены возникшие проблемы и пути их решения, связанные с необходимостью получения в качестве результата операции нечеткого числа с параметрами, удовлетворяющими заданным в работе ограничениям. В рамках данного исследования был реализован программный пакет для работы с нечеткими числами с L-R представлением, основанный на исследованных в работе операциях. Реализация пакета подразумевает возможность его дальнейшего расширения и использования в других научных исследованиях по близкой тематике.
Бесплатно
Компьютерное моделирование процесса фильтрации флюидов в пористых средах
Статья научная
Для ускорения разработки нефтегазовых месторождений, повышения их технико-экономических показателей с целью максимального извлечения продуктов из старых нефтегазовых залежей, необходимо проведение комплексных исследований с помощью математического инструментария. Примером такого математического аппарата является триада «математическая модель, численный алгоритм и программно-инструментальный комплекс» для реализации задачи и проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ при различных входных технологических параметрах объекта исследования. В настоящей работе рассматриваются математическая модель, консервативный численный алгоритм и программное средство для проведения вычислительных экспериментов, разработанные на основе основных законов гидродинамики. Созданные математическое и программное обеспечения служат цели исследования, прогнозирования и принятия решений по разработке и проектированию нефтяных и газовых месторождений. Также в работе приведены результаты вычислительных экспериментов в виде графиков при неустановившейся фильтрации флюидов в пористых средах.
Бесплатно
Конечноразностная аппроксимация метода регуляризации А.Н. Тихонова n-го порядка
Статья научная
Статья является естественным продолжением работы А.Н. Тихонова, в которой впервые была сформулирована идея конечномерного приближения регуляризующей задачи, однако условия, накладываемые на операторы являются трудно проверяемыми. В настоящей работе предложено другое условие, которое легче использовать на практике и с его помощью произведено доказательство теоремы о сходимости конечноразностных аппроксимаций метода регуляризации Тихонова к точному решению регуляризованной задачи. Применение предложенного метода конечноразностных приближений продемонстрировано на примере интегрального уравнения Фредгольма первого рода.
Бесплатно
Концепция построения цифрового двойника города
Статья научная
В данной статье представлена концепция построения цифрового двойника города. Городское хозяйство представляет собой сложную многовекторную систему, создание единого цифрового двойника которой в настоящее время является трудно решаемой задачей. Авторами предлагается эволюционный подход к решению этой задачи, в соответствии с которым на единой программно-аппаратной платформе последовательно строятся цифровые двойники отдельных элементов городской среды. Эти цифровые двойники связываются в единую кооперативную систему, позволяющую одним цифровым двойникам использовать данные, производимые другими цифровыми двойниками. В статье дается определение и архитектура такой системы. Описываются классы моделей, которые могут использоваться для создания цифровых двойников. Особое внимание уделяется нейросетевым моделям и моделям для анализа данных. Рассматривается информационная инфраструктура цифрового двойника города, включающая в себя сенсорные сети, механизмы очистки данных и туманные вычисления.
Бесплатно
Статья научная
Увеличивающийся рост числа компонент суперкомпьютеров приводит специалистов в области HPC к неблагоприятным оценкам для будущих суперкомпьютеров: диапазон среднего времени между отказами будет составлять от 1 часа до 9 часов. Данная оценка ставит под вопрос возможность проведения длительных расчетов на суперкомпьютерах. В работе предлагается метод восстановления после отказов, не требующий возврата большинства процессов к последней контрольной точке, что может позволить сократить накладные расходы для некоторых вычислительных алгоритмов. Стандартный метод обеспечения отказоустойчивости заключается в координированном сохранении, а в случае отказа осуществляется возврат всех процессов к последней контрольной точке. Предлагаемая стратегия заключается в координированном сохранении и журналировании передаваемых данных, а в случае отказа происходит асинхронное восстановление. При асинхронном восстановлении несколько запасных процессов проводят пересчет данных потерянных после отказа, а остальные процессы находятся в ожидании окончания процедуры восстановления потерянных данных. Разработаны параллельные программы решающие задачу о распространении тепла в тонкой пластине. В данных программах отказы происходят после вызова функции raise(SIGKILL), а координированное или асинхронное восстановление осуществляется с помощью функционала ULFM. Для получения теоретических оценок накладных расходов предложен имитационный метод, моделирующий исполнение программы с отказами. В данном методе отказ может произойти во время расчетов, а также во время сохранения контрольных точек или в ходе восстановления. Проведено сравнение методов восстановления при разных значениях частоты отказов для задачи распространения тепла в тонкой пластине, в которой объем данных для журналирования незначителен. Сравнение показало, что применение асинхронного восстановления приводит к сокращению накладных расходов от 22 % до 40 % при теоретической оценке и от 13 % до 53 % в вычислительном эксперименте.
Бесплатно
Статья научная
Сложнейшие задачи эволюции, климата, экологии, глобального мониторинга и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с гиперспектральными подходами и нанодиагностикой природной среды и объектов впервые предлагается рассматривать как сопряженные. Электромагнитное излучение - единое физическое поле, объединяющее радиационное поле Земли с радиационно-активными компонентами. Например, извержение вулканов и трансграничный перенос загрязнений, которые влияют на экологию и состояние окружающей среды, могут быть обнаружены методами ДЗЗ, а далее через перенос лучистой энергии, зависящей от загрязнителей природных сред, может влиять на климат и в конечном итоге на тренд эволюции Земли как планеты. Непреодолимая сложность проблемы состоит в том, что для исследований планеты не допустимы натуральные эксперименты и возможны только мониторинг и наблюдения разными средствами, с одной стороны, а с другой стороны на момент измерений радиации невозможно восстановить весь набор оптико-геофизических и оптико-метеорологических параметров системы «атмосфера-суша-океан», от которых зависит радиация, и не возможно повторить условия наблюдений, так как среда непрерывно изменяется и никогда не повторяется. И только математическое моделирование «больших» прямых и обратных задач теории переноса излучения с параллельным суперкомпьютингом позволяет провести теоретико-расчетные исследования столь сложных проблем и получить качественные и количественные оценки для анализа и прогнозов, а также для разных тематических приложений на основе «сценариев».
Бесплатно
Статья научная
В работе обсуждаются рекомендации по рациональному использованию вычислительных ресурсов суперкомпьютера "Торнадо ЮУрГУ" для решения квантовохимических расчетных задач c учетом периодических граничных условий в программе CRYSTAL17. Решение таких задач необходимо для моделирования структуры и свойств кристаллов и, углеродных материалов. Проанализированы данные о временных характеристиках квантовохимических расчетов материалов различного состава и структуры, как для простых систем, таких, как трехмерный силицированный графит, так и для двумерных поверхностей углеродных материалов с диглицидиловым эфиром бисфенола A в роли сорбированной молекулы. Определены различия в масштабируемости расчетов в зависимости от их типа, размера периодически повторяющегося фрагмента структуры (элементарной ячейки), ее симметрии и входных параметров многоэлектронной системы, моделируемой на основе теории функционала электронной плотности в различных приближениях. Установлены рекомендуемые оптимальные параметры для различных типов химических и материаловедческих задач, решаемых в целях разработки цифровых двойников материалов. Обнаружено, что для относительно больших систем критическим является существенное увеличение требующегося объема временных файлов с увеличением числа используемых узлов, что приводит к неоптимальному режиму расчетов и возможному сбою. Показано, что масштабируемость расчетов колебательных характеристик кристаллов существенно ниже, чем для расчетов, направленных на поиск наиболее энергетически выгодной структуры кристалла, независимо от числа атомов в элементарной ячейке вычисляемой структуры.
Бесплатно
Статья научная
Для алгоритмического анализа крупномасштабных проблем, чувствительных к ошибкам округления разрабатывается программное обеспечение, реализующее точные дробно-рациональные вычисления для распределенной вычислительной среды с интерфейсом MPI.Дальнейшее повышение эффективности программного обеспечения возможно за счет применения гетерогенных вычислительных систем, позволяющих выполнять локальные арифметические операции с числами сверхбольшой разрядности параллельно в большом числе процессов. В работе представлено исследование масштабируемости алгоритмов основных арифметических операций и методы ее повышения. Показана возможность повышения эффективности программного обеспечения за счет применения массового параллелизма в гетерогенных вычислительных системах. Использование избыточной позиционной системы счисления,предложенной в работе, позволяет выполнять операцию алгебраического сложения за константное время, что позволяет построить хорошо масштабируемые алгоритмы выполнения всех основных арифметических операций с целыми числами. Масштабируемость основных алгоритмов целочисленной арифметики легко переносится на дробно-рациональную арифметику.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена разработке методов решения модельной задачи эвтрофикации вод мелководного водоема, учитывающей движение водного потока, микротурбулентную диффузию, гравитационное оседание, пространственно-неравномерное распределение температуры и солености, а также загрязняющих биогенных веществ, кислорода, фито- и зоопланктона и др. В качестве объекта моделирования были выбраны мелководные водоемы - Азовское море и Таганрогский залив. Численное решение задачи основывается на градиентном методе вариационного типа - методе минимальных поправок. Ускорение и эффективность расчетов достигается при использовании многопроцессорной вычислительной системы Южного федерального университета. Решение поставленной задачи водной экологии позволит прогнозировать изменения качества вод мелководных водоемов, а также изучать механизмы формирования в них зон с пониженным содержанием кислорода.
Бесплатно
