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
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
Статья научная
Для исследования неметаллических включений - вредных примесей, образовавшихся в процессе выплавки и кристаллизации стали, из образца исследуемого металла готовят полированный микрошлиф и рассматривают в микроскоп срезы включений плоскостью микрошлифа. При этом обычно делят возможные размеры срезов на интервалы и подсчитывают, сколько срезов включений попало в каждый интервал. В принципе, зависимость числа срезов от размера должна быть монотонно убывающей функцией. Однако исследователь может столкнуться со случаем, когда эта зависимость не выполняется. Например, в некоторые диапазоны размеров вообще не попало никаких срезов (хотя в более старших диапазонах срезы есть). Если к таким данным применить известные методики определения числа и размеров включений (давших эти срезы), то в некоторых диапазонах получатся отрицательные значения. Такое может произойти, когда включений мало и реализовался случай среза, далекий от наиболее вероятного. В работе предлагается методика, позволяющая, несмотря на это, пусть с некоторой погрешностью, рассчитать истинные количества и размеры неметаллических включений в объеме исследуемого металла. Применен численный метод условной оптимизации функции отклонений истинных количеств срезов включений от теоретического распределения.
Бесплатно
Статья научная
Топологическая структура коммуникационных сетей суперкомпьютерных систем при увеличении размера и сложности суперкомпьютеров соответственно усложняется. Для ее описания существует множество методов, однако такие описания являются громоздкими, что усложняет манипулирование ими. В статье предложен подход к описанию коммуникационной среды суперкомпьютера, когда коммуникационная сеть описывается как конструктор, где элементами конструктора являются типовые топологические структуры, часто встречающиеся в различных вычислительных системах. С этой целью разработан язык описания топологической структуры, основанный на операции произведения подграфов. Язык идейно схож в своих принципах с языками NetML и OMNeT++. Отдельное внимание в работе уделяется исключениям в регулярности сетей реальных суперкомпьютеров; с целью добавления возможности описания данного факта в язык внесены специальные конструкции. Для поддержки работы с языком описания разработана библиотека на языке программирования Си и специальная оболочка над ней написанная на языке Python3, которая затем может использоваться для визуализации описываемых языком графов. Выразительная мощность языка была продемонстрирована на описании вычислительных кластеров: Tianhe-2A, AI Bridging Cloud Infrastructure и Ломоносов-2. Метод был проверен и сравнен с GraphViz DOT показано многократное сокращение необходимых объема записи для некоторых крупных систем из Top500.
Бесплатно
Метод подавления акустического эха на основе рекуррентной нейронной сети и алгоритма кластеризации
Статья научная
В статье решается задача подавления акустического эха на основе нейронной сети оценивающей идеальную двоичную маску IBM из признаков, извлеченных из смеси сигналов ближнего и дальнего конца. Новизна предложенного метода заключается в использовании алгоритма кластеризации дополнительно с двунаправленной рекуррентной нейронной сетью BLSTM. Для оценки использования алгоритмов кластеризации EM, Mean-Shift, k-Means, модели были обучены и протестированы на базе данных TIMIT. Для каждой модели были вычислены метрики ERLE, PESQ, STOI, характеризующие ее качество. Использование алгоритмов кластеризации EM, Mean-Shift оказалось неэффективным по сравнению с алгоритмом BLSTM при соотношении сигнал/эхо 10 дБ. При соотношении сигнал/эхо 6 дБ BLSTM+Mean-Shift привел к незначительному улучшению метрики PESQ по сравнению с алгоритмом BLSTM. Результаты экспериментов показали эффективность предложенной модели BLSTM при использовании сети с алгоритмом K-Means, по сравнению с использованием чистой BLSTM для подавления эха в сценариях с двойным разговором. При соотношении сигнал/эхо 10 дБ метрика STOI, характеризующая разборчивость речи, улучшилась на 7%, а метрика PESQ, характеризующая качество восстановления речи, на 18.8%.
Бесплатно
Метод распределенного обнаружения изменения концепции
Краткое сообщение
Представлен метод распределенного обнаружения изменения концепции для алгоритмов интеллектуального анализа данных. Под изменением концепции понимается любое непредсказуемое изменение входных данных алгоритма. Предложена реализация метода с использованием технологии распределенных вычислений MapReduce. Разработанный алгоритм предназначен для обнаружения изменения концепции в потоке входных данных в режиме реального времени. С целью обеспечения итеративного поведения фаз Map и Reduce разработан специальный MapReduce-фреймворк и осуществлена его программная реализация. Использование алгоритма позволит автоматически обнаруживать изменение входных данных, требующее изменение параметров используемой модели и переключение на использование новой модели в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья научная
В статье предложен метод решения задачи идентификации неизвестной функции источника в параболическом уравнении с постоянными коэффициентами с граничными условиями Дирихле и Неймана. Представленный метод основан на использовании прямого и обратного преобразований Лапласа, что позволило свести исходную задачу к решению интегрального уравнения Вольтерра первого рода, характеризующую прямую зависимость неизвестной функции источника от известных граничных условий. Для численного решения полученного уравнения предлагается использовать регуляризующие алгоритмы. В качестве одного из параметров регуляризации в предложенном численном методе выступает количество слагаемых в конечномерном аналоге ядра. С целью оценки эффективности предложенного подхода и получения экспериментальных оценок погрешности численных решений задачи идентификации функции источника был проведен вычислительный эксперимент. Результаты эксперимента и свидетельствуют о достаточной устойчивости численных решений, полученных на основе предложенного метода.
Бесплатно
Метод ускоренной идентификации отпечатков пальцев
Статья научная
В статье излагается метод ускоренной идентификации изображений отпечатков пальцев на основе шаблонов, которые формируются в результате автоматической обработки изображений. Метод опирается на свойства ближайших окрестностей контрольных точек в виде окончаний и разветвлений линий узоров пальцев и состоит из двух этапов. На первом этапе каждая контрольная точка запросного шаблона сравнивается с каждой контрольной точкой ссылочного шаблона из базы данных и оценивается степень похожести таких пар контрольных точек. Для ускорения вычислительных операций вводятся классы, которые позволяют быстро аккумулировать степень похожести контрольных точек из этих двух шаблонов в гистограмме. Оценивается качество такой гистограммы. Гистограммы строятся для всех ссылочных шаблонов из базы данных и одного запросного шаблона. На втором этапе на основе оценок гистограмм отбираются наиболее похожие шаблоны, число которых значительно меньше объема базы данных. Эти шаблоны сравниваются дополнительно с учетом консолидации контрольных точек и оценивается компактность расположения соответствующих пар контрольных точек из двух сравниваемых шаблонов. Значительное ускорение алгоритма идентификации достигается за счет отбрасывания непохожих пар контрольных точек на первом этапе и пар шаблонов с плохими оценками гистограмм на втором этапе. Приводятся результаты экспериментов, опубликованные в интернете.
Бесплатно
Методики сопоставления особых точек в задаче визуальной навигации БПЛА
Статья научная
Статья посвящена разработке и экспериментальному сравнению методик сопоставления особых точек на изображениях - снимках земной поверхности с камер, установленных на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) и искусственном спутнике Земли. Главная особенность задачи состоит в том, что одно из изображений (спутниковый снимок) разбит на фрагменты. Разработанные методики являются частью комплекса алгоритмов, предназначенных для определения положения и ориентации БПЛА с использованием средств, методов и алгоритмов технического зрения. Приведено описание технологии моделирования полета и решения задачи позиционирования. Особые точки на изображениях выделяются с помощью алгоритма SURF. Также исследован подход к сопоставлению, основанный на разбиении множества особых точек на два подмножества в зависимости от знака лапласиана. Предложены способы увеличения производительности сопоставления точек.
Бесплатно
Краткое сообщение
Описаны преимущества использования систем компьютерного тестирования для решения задач оценки уровня знаний и умений студентов по различным дисциплинам. Представлены методические рекомендации по организации тестирования в системе электронного обучения Competentum. Разработана детальная инструкция по настройке, организации хода и мониторингу результатов тестирования. Обоснована целесообразность применения системы в рамках виртуального образовательного пространства, предоставляемого студентам реализуемой технологией обучения «Персональный виртуальный компьютер».
Бесплатно
Методы и средства метамониторинга распределенных вычислительных сред
Статья научная
Работа посвящена решению проблемы мониторинга распределенной вычислительной среды, состоящей из множества слабосвязанных разнородных вычислительных ресурсов. Главной отличительной особенностью и аспектом новизны разработанных методов и средств является использование универсальных программных агентов, способных осуществлять сбор данных от локальных систем мониторинга различных компонентов среды, унифицировать и анализировать эти данные, а также при необходимости вырабатывать и исполнять в автоматическом режиме управляющие воздействия, направленные на изменение режимов работы оборудования, в том числе его отключение при возникновении аварийных ситуаций. В составе каждого агента системы метамониторинга реализованы: подсистема сбора данных, подсистема взаимодействия с СУБД, экспертная подсистема и управляющая подсистема. Подход основан на применении веб-технологий, мультиагентных технологий, методов создания экспертных систем, методов децентрализованной обработки и распределенного хранения данных.
Бесплатно
