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: 329
Статья научная
В статье изложены результаты исследования многоуровневой схемы редукции размерности в задачах глобальной оптимизации. Предложенная схема позволяет свести решение многомерной задачи оптимизации к серии подзадач меньшей размерности, решение которых может быть выполнено параллельно. При этом для редукции размерности комбинируется использование кривых Пеано и схема вложенной (рекурсивной) оптимизации. Для решения редуцированных подзадач используется параллельный алгоритм глобального поиска, принадлежащий классу характеристических алгоритмов. Проведены вычислительные эксперименты на серии тестовых задач разной размерности. Результаты экспериментов показывают, что предложенная схема позволяет эффективно распараллелить процесс поиска и добиться значительного ускорения.
Бесплатно
Статья научная
В 2011 году для новых гетерогенных и гибридных суперкомпьютерных систем в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН была предложена модель DVMH (DVM for Heterogeneous systems), разработаны языки программирования высокого уровня, представляющие собой стандартные языки Фортран и Си, расширенные директивами отображения программы на параллельную машину, оформленными в виде специальных комментариев (или прагм). В статье анализируется эффективность разработанных на языке Fortran DVMH параллельных программ для решения задач гидродинамики «Каверна» и «Контейнер». Приводятся результаты расчетов при использовании нескольких тысяч ядер и более 1200 GPU-ускорителей.
Бесплатно
Статья научная
С использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются динамические процессы, и особенности трансформации примеси в Азовском море, вызванные действием переменного ветра и атмосферного давления при наличии фоновых стационарных течений. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о влиянии скоростей стационарных течений на максимальные отклонения уровня и скорости нестационарных течений, генерируемых полями ветра и атмосферного давления, полученными по данным модели SKIRON. Выполнен анализ влияния изменения интенсивности стационарных течений на размеры областей осушения и затопления в прибрежных районах моря в зависимости от угла наклона (подъема) рельефа береговой зоны. Показано, что совместное действие постоянного ветра с полями прогностической модели SKIRON приводит к существенному увеличению площади распространения пассивной примеси и времени ее рассеивания по сравнению с воздействием только стационарных течений.
Бесплатно
Исследование газодинамического потока и конструкции в модельной экспериментальной установке
Краткое сообщение
В данной работе проводится анализ влияния распараллеливания задачи и параметров расчетной сетки на время выполнения задачи по расчету газодинамического потока и напряженно-деформированного состояния конструкции рабочей камеры экспериментальной установки. Разработаны физическая, математическая, твердотельная и сеточная модели отдельно для газодинамической задачи и задачи теории упругости. Обсуждаются некоторые полученные результаты вычислительных экспериментов.Обнаружено, что масштабируемость прочностного расчета ниже, чем при оценке газодинамического процесса. Предварительный анализ показал, что скорость расчета газодинамических процессов повышается при оптимизации процессов распараллеливания и построения сетки. Масштабируемость по оценке напряженно-деформированного состояния конструкции при этом не повышается. При решении связанных задач, применительно к динамическим системам «газ-конструкция» в системе инженерного анализа Ansys возможно, что продолжительность расчета окажется неприемлемой. Для решения такого рода задач, возможно, потребуется разработка новых алгоритмов.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена исследованию масштабируемости алгоритма Чиммино для решения систем неравенств. Данный алгоритм является типичным представителем класса итерационных проекционных алгоритмов для решения систем линейных уравнений и неравенств. Для аналитического анализа масштабируемости используется модель параллельных вычислений BSF (Bulk Synchronous Farm). Дается представление алгоритма Чиммино в виде операций над списками с использованием функций высшего порядка Map и Reduce. Выводятся аналитические оценки верхней границы масштабируемости алгоритма для многопроцессорных вычислительных систем с распределенной памятью. Приводятся данные о реализация алгоритма Чиммино над списками на языке С++ с использованием программного шаблона BSF и библиотеки параллельного программирования MPI. Демонстрируются результаты масштабных вычислительных экспериментов, выполненных на кластерной вычислительной системе. На основе экспериментальных результатов дается анализ адекватности оценок, полученных аналитическим путем с помощью стоимостных метрик модели BSF.
Бесплатно
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
Основной гипотезой данного исследования является необходимость цифровизации кампуса международного уровня посредством создания комплексной цифровой платформы на его базе. В качестве компонентов такой платформы предлагаются следующие: внутренняя социальная сеть, образовательные сервисы и юниты, сервисы и юниты специального назначения, информационная панель управления кампусом и онлайн взаимодействия с городом (представителями бизнес-сообщества, индустрий и гражданами). Отталкиваясь от результатов новейших мультидицсиплинарных исследований отечественных и зарубежных ученых, авторы доказывают, что внедрение таких компонентов будет способствовать повышению эффективности реализации инклюзивных процессов в академическую среду и за ее пределы, росту престижности и конкурентоспособности бенефициаров, академической мобильности, улучшению психологического благополучия обучающихся, а также привлечению дополнительного финансирования, как самой платформы, так и входящих в межвузовское объединение образовательных учреждений. Новизна проведенного в рамках данной статьи исследования заключается в возможности использования уже существующих отечественных программ для создания работающих в режиме единого окна новых типов многокомпонентных цифровых платформ, функционал которых будет способен удовлетворить ряд потребностей населения, бизнеса и государства, отраженных в национальных и региональных стратегических программах развития.
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
Классификация потокового временного ряда на основе нейросетевых технологий и поведенческих шаблонов
Статья научная
В статье представлен метод SALTO (Snippet and Autoencoder-based Labeling of Time series coming Online), позволяющий выполнять классификацию подпоследовательностей временного ряда, элементы которого поступают для обработки непрерывным потоком в режиме реального времени. Областью применения разработанного метода являются приложения персональной медицины, промышленного Интернета вещей и цифровой индустрии, в которых предъявляются высокие требования ко времени реакции системы: не более 10 мс в соответствии со стандартом URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications, сверхнадежная связь с малой задержкой). Метод SALTO предполагает предварительную обработку предварительно сохраненного репрезентативного фрагмента потокового временного ряда и распознавание подпоследовательностей этого ряда, поступающих в реальном времени, c помощью нейросетевой модели. Предобработка выполняется без участия учителя c помощью параллельного алгоритма, который автоматизирует поиск поведенческих шаблонов (сниппетов) ряда, используемых для формирования обучающей выборки. Нейросетевая классификационная модель использует архитектуру автоэнкодеров. Энкодер модели преобразует входную подпоследовательность в скрытое представление и включает в себя два сверточных слоя и один рекуррентный слой. Декодер модели состоит из одного рекуррентного слоя и двух транспонированных сверточных слоев, зеркально отражающих параметры Энкодера. В вычислительных экспериментах на стандартных тестах метод SALTO более чем в полтора раза опережает в среднем передовые аналоги по быстродействию, вписываясь в рамки стандарта URLLC, и при этом показывает в среднем более высокую точность, чем большинство указанных аналогов.
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
