Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 316
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
Статья научная
В статье рассмотрена модель территориально распределенной вычислительной системы (ТРС), состоящей из объединенных каналами связи высокопроизводительных вычислительных установок. Вычислительные установки из состава ТРС представляют собой высокопроизводительные кластеры, различающиеся по архитектуре и производительности. Объединяющие их каналы связи имеют разные надежность и пропускную способность. Особенностью рассматриваемой модели является децентрализованная схема управления заданиями. Подобная схема подразумевает, что любая вычислительная установка в любой момент времени может выйти из состава ТРС по причине своей неисправности или неисправности канала связи. Устранение неисправности означает динамическое подключение вычислительной установки к ТРС. В этих условиях в ТРС организуется глобальная очередь заданий с абсолютными приоритетами, из которой задания распределяются по свободным ресурсам вычислительных установок. Абсолютные приоритеты предполагают вытеснение с выполнения низкоприоритетного задания поступившим в очередь высокоприоритетным заданием. Для формирования и хранения глобальной очереди заданий в условиях динамически изменяющегося состава ТРС необходима надежная распределенная информационная система (РИС). В качестве основы для ее построения авторами рассмотрен ряд известных распределенных СУБД. В статье сформулированы требования к РИС, проведен сравнительный анализ и сделан выбор решения, удовлетворяющего требованиям, рассмотрен разработанный авторами макет ТРС с децентрализованной схемой диспетчеризации заданий.
Бесплатно
Методы и эвристики планирования в распределенных вычислениях с неотчуждаемыми ресурсами
Статья научная
Статья посвящена вопросам эффективной организации вычислений в виртуальных организациях распределенных сред с неотчуждаемыми ресурсами, включая коммерчески используемый грид. Предлагается и обосновывается комплексное сочетание методов и эвристик планирования и распределения ресурсов на уровне потоков заданий и приложений, реализующих принятую в виртуальной организации политику предоставления и потребления ресурсов с использованием экономических принципов.
Бесплатно
Методы оптимизации обобщенных тензорных сверток
Статья научная
Свертка тензоров является одной из основных операций "Тензорного исчисления" - отдельного раздела математики, ставшего основным языком для описания фундаментальных законов таких областей науки, как теория относительности, механика, электродинамика и физика твердого тела. Эффективность выполнения свертки тензоров и её обобщений имеет существенную практическую значимость для таких областей как решение задач математической физики, машинного обучения, в спектральных методах, в квантовой химии, при интеллектуальном анализе данных, в высокопроизводительных вычислениях на многопроцессорных системах, и др. В последние двадцать лет количество методов оптимизации тензорных сверток значительно увеличилось и продолжает возрастать. В статье представлен обзор активно используемых подходов к оптимизации свертки тензоров, применяемых при решении прикладных задач на однопроцессорных и многопроцессорных вычислительных системах с распределенной памятью. В работе представлены методы оптимизации важных частных случаев свертки тензоров - матричного и матрично-векторного произведения, использующихся для большинства оптимизаций сверток тензоров. Описанные оптимазации могут применяться в процессе компиляции программ, выполняемой промышленными компиляторами. Представленная информация может помочь при систематизации уже имеющихся знаний.
Бесплатно
Методы параллельного решения СЛАУ на системах с распределенной памятью в библиотеке Krylov
Статья научная
Рассматривается подход к созданию итерационного black-box («черного ящика») параллельного решателя, использованный в библиотеке Krylov для систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с разреженными матрицами высокого порядка, возникающими при сеточных аппроксимациях многомерных краевых задач и представленными в сжатом строчном формате CSR. Предлагается вариант алгебраической одномерной декомпозиции СЛАУ. Алгоритм основан на обходе в ширину графа матрицы системы и позволяет привести ее к блочно-трехдиагональному виду. За основу алгебраического решателя системы взят ад дитивный метод Шварца, который естественным образом ложится на архитектуру вычислительных систем с распределенной памятью. Полученные алгебраические системы в подпространстве следов, образованных переменными на внутренних границах подобластей, решаются с помощью обобщенного метода минимальных невязок. Вспомогательные системы в подобластях решаются с помощью прямого алгоритма PARDISO из библиотеки Intel MKL, использующего распараллеливание над общей памятью средствами OpenMP. Реализованные алгоритмы апробированы на численном решении ряда задач вычислительной математики, таких как задачи гидродинамики, диффузионно-конвективные уравнения, задачи электромагнетизма и др. Приведенные результаты численных экспериментов демонстрируют эффективность предлагаемых решений для многопроцессорных вычислительных систем с распределенной памятью.
Бесплатно
Статья научная
В параллельных планировщиках задач, работающих по стратегии work-stealing, каждый процессор имеет свой дек задач. Один конец дека используется для добавления и извлечения задач только владельцем, а другой - для перехвата задач другими процессорами. В статье предлагается обзор методов управления work-stealing деками, которые используются при реализации work-stealing планировщиков параллельных задач, а также представлено описание поставленных и решенных нашим коллективом задач оптимального управления деками для стратегии work-stealing. Принцип алгоритмов оптимального управления деками в двухуровневой памяти заключается в том, что при переполнении выделенного участка быстрой памяти происходит перераспределение элементов (задач) дека между уровнями памяти. В быстрой памяти остаются элементы из концов дека, так как с ними будет происходить работа в ближайшее время, а элементы средней части дека хранятся в медленной памяти. В таком случае необходимо определить оптимальное количество элементов, которое нужно оставить в быстрой памяти, в зависимости от критерия оптимальности и параметров системы.
Бесплатно
Статья научная
В последнее время наблюдается взрывной рост в развитии концепции цифровой индустрии. Одним из важнейших элементов этой концепции является применение методов математического моделирования и интеллектуального анализа данных для создания моделей производственных процессов и конечной продукции, базирующихся на обработке сигналов, поступающих с интеллектуальных сенсоров. Совокупность таких моделей, представляющих собой виртуальное представление промышленных процессов, систем и оборудования называют цифровыми двойниками. Цифровые двойники используют данные, получаемые от сенсоров, установленных на производственных линиях или на базе конечной продукции, для прогнозирования сбоев в работе оборудования, оптимизации качества продукции и сокращения негативного воздействия производственных процессов на окружающую среду. Комплексы моделей, лежащие в основе цифровых двойников, могут быть описаны в виде вычислительных потоков работ (Workflow), состоящих из набора вычислительных сервисов, каждый из которых представляет собой модель одного из этапов технологического процесса. Для организации гибкой поддержки облачных вычислений для выполнения цифровых двойников, мы предлагаем концепцию микро-потоков работ (Micro-Workflows), которая сочетает в себе мощность концепции научных потоков работ (Scientific Workflows), гибкость контейнерных технологий и устойчивость подхода потоковой обработки данных (Stream Processing) в распределенных вычислительных системах.
Бесплатно
Модели и стандарты электронного обучения
Статья научная
Статья представляет собой обзор моделей и стандартов, используемых в современных системах электронного обучения. Описывается общая концептуальная модель среды электронного обучения. Рассматриваются: модель данных для взаимодействия с электронными образовательными объектами; модель накопления контента, определяющая структуру образовательных объектов, способы их поиска и передачи между различными обучающими системами, а также способы упаковки контента; модель среды выполнения, определяющей структуру прикладного программного интерфейса для управления образовательными объектами; модель упорядочивания иерархического образовательного контента; модель компетенций, используемая для спецификации знаний, умений и навыков в системах электронного обучения. Также дается обзор стандарта SCORM, объединяющего в себе комплекс моделей электронного обучения.
Бесплатно
