Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 306
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
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
Математическое моделирование стационарного состояния и колебательных режимов орегонатора
Статья научная
Колебательные системы широко распространены в различных областях научных исследований (химические, биологические, экологические осцилляторы). Представлена пятистадийная модель Филда-Нойеса-Кёроса реакции Белоусова-Жаботинского и соответствующая ей математическая модель орегонатора. Выведена система уравнений для стационарных состояний орегонатора. Стационарные состояния орегонатора рассчитываются в зависимости от скоростей прямых реакций для различных значений стехиометрического коэффициента. Моделирование однородного стационарного состояния системы проведено по экспериментальным данным авторов модели. Вычислительные эксперименты показали, что стехиометрический коэффициент является бифуркационным параметром системы, каждому его значению соответствует единственное положительное стационарное решение. Полученные результаты соответствуют физическому смыслу модели. На основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих кинетику химически активной системы, выполнено моделирование колебательных режимов для различных значений стехиометрического коэффициента. Определено время выхода системы в колебательный режим. Время выхода в колебательный режим зависит от величины стехиометрического коэффициента, с ростом которого отмечается его сокращение. Амплитуды колебаний согласуются с экспериментальными данными авторов модели. Исследована неустойчивость стационарного состояния орегонатора к возмущениям. Представлены графические зависимости возмущения концентрации компонентов системы орегонатора во времени.
Бесплатно
Математическое моделирование упругих возмущений, распространяющихся из очага землетрясения
Статья научная
Целью данной работы является разработка программного комплекса для проведения математического моделирования распространения упругих возмущений, зарождающихся в гипоцентре землетрясения, в гетерогенных средах. В качестве источника возмущения используется геофизическая модель очага землетрясения в виде подвижки по уже существующему разлому. Для описания динамического поведения среды используется система уравнений (гиперболического типа) механики твердого тела с явным выделением контактных границ неоднородностей. Она решается с помощью сеточно-характеристического метода на криволинейных структурных трехмерных сетках. Одной из особенностей используемого вычислительного алгоритма является его высокая масштабируемость по количеству вычислителей. Использование криволинейных сеток позволяет с высокой точностью описать большой класс расчетных геометрий. Авторами была проведена математическая постановка задачи, разработан программный комплекс и выполнена серия численных расчетов. В статье приведены результаты расчета распространения сейсмического возмущения в многослойной геологической среде и оценки сейсмостойкости наземного сооружения. Проведено исследование ускорения процесса расчета при увеличении количества вычислительных узлов.
Бесплатно
Метод для согласованного выполнения семейства распределенных асинхронно взаимосвязанных транзакций
Статья научная
В работе предлагается метод обнаружения RW-конфликтов по разделяемым данным, возникающих во время конкурентного выполнения набора распределенных транзакций, ко-торый предназначен для предотвращения связанных с таким типом конфликтов аномалийвыполнения.
Бесплатно
Статья научная
Неметаллические включения, возникающие в процессе производства стали - это микрочастицы продуктов химических реакций и посторонних примесей, имеющие размеры 0,1-100 мкм. Они являются концентраторами напряжений в готовых изделиях и ухудшают механические свойства стали. Для их исследования, из образца исследуемого металла готовят микрошлиф и наблюдают в микроскоп срезы включений плоскостью микрошлифа. Однако на плоскости шлифа исследователь видит не сами включения, а лишь их срезы, между тем, как включения разных размеров могут давать срезы одинакового размера и, наоборот, включения одного размера могут давать срезы различных размеров. В данной работе рассматривается метод определения количеств и размеров неметаллических включений на основе этой информации, то есть воссоздание объемной картины распределения включений по размерам на основе плоской картины распределения их срезов плоскостью микрошлифа. Метод основан на теории вероятностей и математической статистике. Показано, что число срезов включений, попадающих в каждый размерный интервал, подчиняется нормальному закону. Разработана методика определения функции распределения включений по размерам для включений сферической формы и разработан соответствующий алгоритм.
Бесплатно
