Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 306
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
Моделирование влияния системы мониторинга производительности на выполнение коллективных MPI операций
Статья научная
Изучение параллельных программ с помощью средств мониторинга производительности - распространенная практика. Агент системы мониторинга для сбора данных о работе приложения периодически активируется во время счета этого приложения, внося помехи и занимая ресурсы. Однако вопрос об уровне влияния этих помех является слабо изученным, разработчики систем мониторинга зачастую не проводят исследования в этом направлении. В данной статье рассматриваются подходы к изучению влияния системы мониторинга производительности суперкомпьютера на пользовательские приложения. В качестве инструмента для измерения влияния агента системы мониторинга предлагается использовать коллективные MPI операции. Так, кроме обнаружения шума системы мониторинга, можно исследовать влияние системы мониторинга на сильно синхронизированные приложения. Время выполнения коллективных MPI операций изучается в присутствии программного средства, моделирующего работу агента системы мониторинга производительности. Оценивается уровень шума, который каждая из рассматриваемых коллективных операций в выбранной конфигурации запуска способна зафиксировать. В работе приводятся данные запусков инструмента с коллективными MPI операциями All-to-All, All-Reduce, Barrier. Найдено, что хорошей стабильностью и чувствительностью обладают операции All-to-All и Barrier.
Бесплатно
Моделирование заданного движения пятизвенного механизма
Краткое сообщение
Рассматривается задача о моделировании совместного со связями заданного пятизвенного механизма, у которого точки опоры шарнирно связаны с плоскостью. Управлениями являются моменты сил в шарнирных соединениях механизма. Для упрощенной модели на основе анализа уравнений движения излагается схема построения требуемых уравнений.
Бесплатно
Краткое сообщение
В статье описаны принципы моделирования предельных границ рудных месторождений на высокопроизводительных вычислительных системах с гибридной архитектурой с применением параллельного генетического алгоритма.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются процессы переноса многокомпонентных веществ в водоеме. Примером таких веществ могут являться радионуклидные и нефтяные загрязнения природных водоемов. Полученные в результате математического моделирования численные задачи решаются на высокопроизводительных вычислительных системах (ВВС) с использованием существующих пакетов распараллеленных итерационных методов. В качестве исследуемого водоема рассматривается Азовское море.
Бесплатно
