Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 306
Обзор адаптивных моделей электронного обучения
Статья научная
В статье дается обзор адаптивных моделей электронного обучения. В каждой модели рассматривается структура и способы предоставления образовательного контента. Проводится анализ сильных и слабых сторон рассмотренных моделей электронного обучения. Общее слабое место - отсутствие предопределенной дидактической структуры образовательного объекта. Данный недостаток существенно ограничивает возможность автоматической проверки электронного учебного курса на дидактическую полноту. В заключении статьи определяются черты новой модели электронного обучения, включающей в себя средства для описания дидактической структуры образовательных объектов.
Бесплатно
Обзор алгоритмов локального позиционирования для мобильных устройств
Статья научная
Работа содержит обзор алгоритмов локального позиционирования (позициониования внутри помещений) на основе стандарта беспроводной связи Wi-Fi, в которых в качестве единственного источника информации о местонахождении агента выступает мощность сигнала, принимаемого от точек доступа Wi-Fi сети. Произведен сравнительный анализ рассматриваемых алгоритмов по таким критериям, как базовый или улучшающий, погрешность, вычислительная сложность и независимость от предварительных измерений.
Бесплатно
Обзор методов интеграции интеллектуального анализа данных в СУБД
Статья научная
Интеллектуальный анализ данных направлен на извлечение доступных для понимания знаний, необходимых для принятия решений в различных сферах человеческой деятельности. Феномен Больших данных является характерным признаком современного информационного общества. Процессы очистки и структурирования Больших данных приводят к образованию сверхбольших баз и хранилищ данных. Несмотря на появление большого количества NoSQL СУБД, основным инструментом управления базами данных по-прежнему остаются реляционные СУБД. Одним из перспективных направлений развития реляционных СУБД является внедрение в них средств интеллектуального анализа данных. Интеграция позволяет как избежать накладных расходов по экспорту анализируемых данных из хранилища и импорту результатов анализа обратно в хранилище, так и использовать при анализе данных системные сервисы, заложенные в архитектуре СУБД. В статье представлен обзор методов и подходов к решению задачи интеграции интеллектуального анализа данных в СУБД. Приводится классификация подходов к решению задачи интеграции интеллектуального анализа данных в СУБД. Представлены расширения языка баз данных SQL, обеспечивающие синтаксическую поддержку интеллектуального анализа данных в СУБД. Рассмотрены примеры реализации алгоритмов интеллектуального анализа данных на SQL и систем анализа данных в реляционных СУБД.
Бесплатно
Обзор методов обучения глубоких нейронных сетей
Статья научная
Глубокие нейронные сети в настоящее время становятся одним из самых популярных подходов к созданию систем искусственного интеллекта, таких как распознавание речи, обработка естественного языка, компьютерное зрение и т.п. В статье представлен обзор истории развития и современного состояния методов обучению глубоких нейронных сетей. Рассматривается модель искусственной нейронной сети, алгоритмы обучения нейронных сетей, в том числе алгоритм обратного распространения ошибки, применяемый для обучения глубоких нейронных сетей. Описывается развитие архитектур нейронных сетей: неокогнитрон,автокодировщики, сверточные нейронные сети, ограниченная машина Больцмана, глубокие сети доверия,сети долго-краткосрочной памяти, управляемые рекуррентные нейронные сети и сети остаточного обучения.Глубокие нейронные сети с большим количеством скрытых слоев трудно обучать из-за проблемы исчезающего градиента. В статье рассматриваются методы решения этой проблемы, которые позволяют успешно обучать глубокие нейронные сети с более чем ста слоями. Приводится обзор популярных библиотек глубокого обучения нейронных сетей, которые сделали возможным широкое практическое применение данной технологии. В настоящее время для задач компьютерного зрения используются сверточные нейронные сети, а для обработки последовательностей, в том числе естественного языка, - рекуррентные нейронные сети, прежде всего сети долго-краткосрочной памяти и управляемые рекуррентные нейронные сети.
Бесплатно
Обзор моделей параллельных вычислений
Статья научная
Цель данного обзора - дать максимально полное представление о достижениях и современном состоянии дел в разработке аналитических моделей параллельных вычислений, позволяющих предсказать время вычислений, ускорение, эффективность и масштабируемость параллельных алгоритмов применительно к различным целевым многопроцессорным платформам. Важность моделей параллельных вычислений вытекает из того, что они до реализации параллельного алгоритма в виде программы позволяют понять, насколько эффективно данный алгоритм может использовать конкретную многопроцессорную платформу, и при необходимости внести изменения в дизайн алгоритма, либо рассмотреть вариант замены целевой аппаратной платформы. В обзоре показывается эволюция моделей параллельных вычислений, происходившая одновременно с эволюцией многопроцессорных систем, от одноуровневых моделей с общей памятью до многоуровневых иерархических моделей с распределенной памятью, ориентированных на кластерные вычислительные системы с многоядерными ускорителями. В заключении обзора приводятся рекомендации по выбору возможных направлениий дальнейших исследований в области разработки математических моделей параллельных вычислений.
Бесплатно
Обзор подходов и практических областей применения распознавания видов физической активности человека
Статья научная
Распознавание видов физической активности человека является одним из актуальных направлений исследования в области машинного обучения, так как результаты распознавания необходимы при решении многих практических задач. В статье приводится обзор подходов и практических областей применения методов распознавания видов физической активности человека. Рассматриваются датчики, используемые для распознавания видов физической активности человека, и представлены критерии их выбора. Представлены возможные пути решения проблемы выбора места размещения и ориентации носимых датчиков. В статье рассматриваются основные этапы распознавания видов физической активности человека. Представлены извлекаемые признаки и методы их отбора для повышения точности классификации видов физической активности человека и снижения вычислительных затрат за счет уменьшения числа признаков. Сформулированы достоинства и недостатки популярных методов классификации. Рассматриваются метрики, используемые для оценки качества обучения модели классификации. Наиболее применяемой метрикой качества является кривая ошибок. Также представлены практические задачи, в которых необходимы результаты распознавания видов физической активности человека. Основными областями применения метода распознавания являются медицина, производство, фитнес и безопасность людей. В заключении представлены возможные направления будущих исследований.
Бесплатно
Статья обзорная
Оценка производительности добычи полезных ресурсов, в том числе определение геометрических размеров объектов горной породы в открытом карьере, является одной из наиболее важных задач в горнодобывающей промышленности. Задача фрагментации горных пород решается с помощью методов компьютерного зрения, таких как экземплярная сегментация или семантическая сегментация. В настоящее время для решения таких задач для цифровых изображений используются нейронные сети глубокого обучения. Нейронные сети требуют больших вычислительных мощностей для обработки цифровых изображений высокого разрешения и больших наборов данных. Для решения этой проблемы в литературе предлагается использование облегченных архитектур нейронных сетей, а также методов оптимизации производительности, таких как параллельные вычисления с помощью центральных, графических и специализированных процессоров. В обзоре рассматриваются последние достижения в области нейронных сетей глубокого обучения для решения задач компьютерного зрения применительно к фрагментации горных пород и вопросы повышения производительности реализаций нейронных сетей на различных параллельных архитектурах.
Бесплатно
Обзор систем процедурной генерации игр
Статья научная
Процедурная генерация контента (ПГК) является одной из наиболее актуальных задач в индустрии видеоигр. Под ПГК понимают автоматическое создание различных составляющих частей игр; особый интерес представляет проблема автоматического создания игровых правил и целых игр. В статье представлен обзор исследований, посвященных данной проблеме; описываются алгоритмы генерации игровых правил и игр различных жанров, в том числе алгоритмы на основе парадигм эволюционного моделирования и логического программирования, а также способы автоматической оценки генерируемых игр. Кратко рассмотрены первые системы генерации игр, реализованные в универсальных игровых программах. Также описаны различные форматы представления и специализированные языки для описания игровых правил в подходящем для алгоритмической обработки виде.
Бесплатно
Обзор современных моделей представления дактилоскопических изображений
Статья научная
Идентификация человека по отпечаткам пальцев сегодня является наиболее распространенным методом биометрической идентификации. В статье приводится обзор современных моделей компьютерного представления изображений отпечатков пальцев и методов сравнения отпечатков на базе этих моделей. Рассматриваются представления отпечатка в виде множества частных признаков, множества общих признаков, множества папиллярных линий, а также в виде топологического объекта, содержащего комбинацию признаков. Сформулированы основные преимущества и недостатки этих представлений. Предлагается классификация моделей представления дактилоскопических изображений по степени полноты их описания. Каждый уровень предложенной модели описывает изображение с помощью какой-либо его характеристики (частные признаки, общие признаки, расположение и плотность папиллярных линий, поле направлений) либо в виде некоторого топологического объекта на более высоком уровне. При этом модель каждого уровня может использоваться как в виде самостоятельного представления, так и в комбинации с моделями других уровней, расширяя и дополняя описание изображения. Обзор моделей и методов идентификации опирается на широкий круг патентных материалов, научных статей, свидетельств о регистрации программ за последние несколько лет, что подтверждает актуальность проблемы и проведенного исследования.
Бесплатно
Обзор современных систем обработки временных рядов
Статья научная
Временной ряд представляет собой последовательность хронологически упорядоченных числовых значений, отражающих течение некоторого процесса или явления. В настоящее время одним из наиболее актуальных классов задач обработки временных рядов являются приложения Индустрии 4.0 и Интернета вещей. В данных приложениях типичной является задача обеспечения умного управления и предиктивного технического обслуживания сложных машин и механизмов, которые оснащаются различными сенсорами. Такие сенсоры имеют высокую дискретность снятия показаний и за сравнительно короткое время продуцируют временные ряды длиной от десятков миллионов до миллиардов элементов. Получаемые с сенсоров данные накапливаются и подвергаются интеллектуальному анализу для принятия стратегически важных решений. Обработка временных рядов требует специфического системного программного обеспечения, отличного от имеющихся реляционных СУБД и NoSQL-систем. Системы обработки временных рядов должны обеспечивать, с одной стороны, эффективные операции добавления новых атомарных значений, поступающих в потоковом режиме, а с другой стороны, эффективные операции интеллектуального анализа, в рамках которых временной ряд рассматривается как единое целое. В статье рассмотрены особенности обработки временных рядов в сравнении с данными реляционной и нереляционной природы, и даны формальные определения основных задач интеллектуального анализа временных рядов. Представлен обзор основных возможностей трех наиболее популярных современных систем обработки временных рядов: InfluxDB, OpenTSDB, TimescaleDB.
Бесплатно
Обзор технологий организации туманных вычислений
Статья научная
Поскольку Интернет вещей (IoT) становится частью нашей повседневной жизни, наблюдается быстрый рост числа подключенных устройств. Устоявшийся подход, основанный на технологиях облачных вычислений, не может обеспечить необходимое качество обслуживания в таких условиях, в частности, в вопросах уменьшения времени задержки при передаче данных. Технология туманных вычислений сегодня рассматриваются как многообещающее решение для обработки большого объема критически важных и чувствительных ко времени данных. В этой статье рассмотрена технология облачных вычислений, а также анализируются предпосылки к эволюционному развитию этого подхода и появлению концепции туманных вычислений. В рамках обзора ключевых особенностей туманных вычислений произведен разбор часто встречающейся путаницы с объединением понятий туманных и краевых вычислений. Приведен обзор технологий организации туманных вычислений: виртуализация, контейнеризация и оркестрация, а также систематический анализ наиболее популярных платформ, обеспечивающих поддержку туманных вычислений. В результате анализа нами предлагается два подхода к классификации платформ туманных вычислений: по принципу открытости/закрытости компонентов, а также трехуровневая классификация на основе предоставляемого функционала платформы (Deploy-, Platform- и Ecosystem as a Service).
Бесплатно
Обзор технологий распределенных вычислений
Статья научная
В данной работе представлен обзор технологий распределенных вычислений с точки зрения организации планирования заданий в грид и облачных средах. Рассмотрена архитектура платформы UNICORE, ориентированной на обеспечение прозрачного безопасного доступа к ресурсам распределенной вычислительной среды. Приведена общая классификация алгоритмов планирования в распределенных вычислительных средах, а также классификация алгоритмов планирования для заданий, имеющих зависимости между задачами.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена задача поиска аномальных подпоследовательностей временного ряда, решение которой в настоящее время востребовано в широком спектре предметных областей. Предложен новый метод обнаружения аномальных подпоследовательностей временного ряда с частичным привлечением учителя. Метод базируется на концепциях диссонанса и сниппета, которые формализуют соответственно понятия аномальных и типичных подпоследовательностей временного ряда. Предложенный метод включает в себя нейросетевую модель, которая определяет степень аномальности входной подпоследовательности ряда, и алгоритм автоматизированного построения обучающей выборки для этой модели. Нейросетевая модель представляет собой сиамскую нейронную сеть, где в качестве подсети предложено использовать модификацию модели ResNet. Для обучения модели предложена модифицированная функция контрастных потерь. Формирование обучающей выборки выполняется на основе репрезентативного фрагмента ряда, из которого удаляются диссонансы, маломощные сниппеты со своими ближайшими соседями и выбросы в рамках каждого сниппета, трактуемые соответственно как аномальная, нетипичная деятельность субъекта и шумы. Вычислительные эксперименты на временных рядах из различных предметных областей показывают, что предложенная модель по сравнению с аналогами показывает в среднем наиболее высокую точность обнаружения аномалий по стандартной метрике VUS-PR. Обратной стороной высокой точности метода является большее по сравнению с аналогами время, которое затрачивается на обучение модели и распознавание аномалии. Тем не менее, в приложениях интеллектуального управления отоплением зданий метод обеспечивает быстродействие, достаточное для обнаружения аномальных подпоследовательностей в режиме реального времени.
Бесплатно
Обнаружение и локализация строений заданной формы на аэроснимках в инфракрасном диапазоне
Статья научная
В работе рассматривается задача обнаружения и локализации строений заданной формы на аэроизображениях земной поверхности в инфракрасном диапазоне с использованием аппарата контурного анализа. Приводится описание модификации алгоритма обобщенного преобразования Хафа для обнаружения контуров, заданных небольшим количеством параметров. Идея предлагаемого метода заключается в построении двумерных аккумуляторных массивов для каждого набора параметров фигуры в зависимости от ее положения, и их последующего объединения в результирующий аккумуляторный массив. Заполнение массивов осуществляется на основе значений модулей градиентов яркостей исходного изображения с учетом близости рассматриваемого контура к заданной форме. Близость формы определяется путем морфологического анализа контуров, найденных с помощью алгоритма Канни. Фильтрация обнаруженных объектов на основе плотности границ в их внутренней области, а также соотношения средних яркостей внутри и снаружи контура обеспечивает высокую чувствительность к заданным типам объектов и уменьшает количество ложных срабатываний алгоритма. Качество работы метода проверено на задаче локализации малоэтажных построек прямоугольной формы. Полученные результаты позволяют судить о применимости предложенного подхода для решения практических задач распознавания объектов местности.
Бесплатно
Обновление многотабличных представлений на основе коммутативных преобразований базы данных
Статья научная
В современных технологиях реляционных баз данных механизм представлений (view) реализует внешний уровень архитектуры ANSI—SPARC, скрывая детали концептуальной структуры базы данных от конечных пользователей. Однако использование данного механизма сопряжено с необходимостью решения задачи корректного обновления представлений: СУБД должна обеспечить корректное выполнение операций вставки, удаления или обновления кортежа в представлении над соответствующими базовыми отношениями данного представления. Для решения указанной задачи в стандарте SQL вводится жесткое ограничение: модифицируемому кортежу представления может соответствовать только один кортеж в базовом отношении. Триггеры, реализующие обновление представлений, обладают рядом недостатков: необходимость создания триггера для каждого представления базы данных, непредсказуемый порядок запуска триггеров, относящихся к одному представлению и др. В статье рассматривается подход к решению данной задачи на основе применения коммутативных преобразований базы данных. При этом не накладывается ограничение единственности кортежа базового отношения, соответствующего обновляемой записи в представлении. Описан Сопроцессор СУБД, который размещается на клиентском компьютере и обеспечивает коммутативные преобразования в отношениях базы данных, хранимых на сервере. Сопроцессор выполняет формирование текста транзакции, реализующей коммутативные преобразования, и осуществляет запуск этой транзакции на сервере. Представлена реализация сопроцессора для свободной СУБД PostgreSQL. Проведены вычислительные эксперименты, подтверждающие эффективность предложенного подхода в приложениях классов OLAP и OLTP.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается задача проверки допустимости конфигураций модульных вычислительных систем реального времени (МВС РВ). Конфигурация считается допустимой, если все работы успевают выполниться в рамках своих директивных сроков. В статье приведены формальные определения конфигурации МВС РВ и временной диаграммы (ВД) ее функционирования. ВД, соответствующая заданной конфигурации, необходима для проверки критерия допустимости для данной конфигурации. Автором предложена обобщенная модель функционирования таких систем, основанная на математическом аппарате временных автоматов с остановкой таймеров. Представлен метод построения модели конкретной МВС РВ по описанию ее конфигурации. Модель позволяет получить временную диаграмму функционирования системы по вычислению соответствующей сети автоматов. Математический аппарат сетей временных автоматов позволил доказать, что модель де-терминирована, а также удовлетворяет ряду требований корректности, выделенных из спецификаций на МВС РВ. Предложенные методы реализованы программно. Проведено экспериментальное сравнение предложенного подхода с альтернативным подходом (верификацией моделей систем), использующим такой же математический аппарат. Эксперименты подтвердили эффективность разработанной модели. Для апробации на данных, приближенных к реальным, программная реализация модели была также интегрирована c существующим средством планирования вычислений в МВС РВ, используемым в промышленности. Результаты апробации подтвердили применимость предложенного подхода на практике.
Бесплатно
Обработка запросов на кластерных вычислительных системах с многоядерными ускорителями
Статья научная
Работа посвящена вопросам моделирования процесса обработки запросов в мультипроцессорах параллельных систем баз данных. Предлагаются подходы для обработки запросов при помощи графических ускорителей, многоядерных сопроцессоров и центральных процессоров. На базе предложенных подходов реализован эмулятор параллельной СУБД. Приведены результаты вычислительных экспериментов и выполнен анализ эффективности предложенных подходов.
Бесплатно
Оптимальное управление процессом применения антивирусных препаратов при лечении ВИЧ-инфекции
Краткое сообщение
Рассмотрена методологическая проблема применения современных математических и информационных методов для управления восстановлением иммунной системы человека в целях увеличения продолжительности его жизни. Разработана и численно решена задача оптимального управления динамикой ВИЧ-инфекции на основе применения принципа максимума Л.С. Понтрягина для нелинейных систем с постоянным запаздыванием и негладкой правой частью. На основе программной реализации численного алгоритма приведены результаты моделирования динамики иммунной системы при использовании различных стратегий применения лекарственных средств. Путем преобразования базовой системы дифференциальных уравнений, проведено исследование влияния вторичных инфекционных заболеваний на динамику ВИЧ-инфекции.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены параллельные версии последовательной программы создания молекулярных интерфейсов с применением технологии OpenMP и MPI. Обе версии показали достаточную масштабируемость и лучшие временные показатели по сравнению с последовательной версией при запуске на одном процессоре. Моделирование белкового интерфейса для некоторых соединений занимает более двадцати часов счета на нескольких сотнях процессоров, поэтому для задач моделирования белковых соединений с большим количеством позиций важно наличие недетерминированных алгоритмов, позволяющих за приемлемое время получать биологически корректный результат. Выбор стохастических алгоритмов оправдал себя:и метод Монте-Карло, и алгоритм пчелиного поиска нашли пространственное расположение молекулы, соответствующее минимальному энергетическому состоянию. Предоставление доступа к реализации алгоритма по веб-интерфейсу отвечает современным тенденциям к перемещению вычислений на сторону сервера и позволяет широкому кругу специалистов использовать вычислительные мощности, предоставляемые Московским государственным университетом, а с учетом расширения сферы применимости задач молекулярного моделирования наличие открытого веб-интерфейса, предоставляющего удаленный доступ к вычислительным кластерам, является достаточно важной задачей.
Бесплатно
Оптимизация обнаружения конфликтов в параллельных программах с транзакционной памятью
Статья научная
В настоящее время активно развивается альтернативный подход к созданию масштабируемых и потокобезопасных параллельных программ для многопроцессорных систем с общей памятью - технология транзакционной памяти (transactional memory). Ожидается, что она войдет в стандарт языка С++17. В данной работе предложен метод оптимизации обнаружения конфликтов (конкурентного доступа потоков к общим областям памяти), возникающих при выполнении параллельных программ на базе транзакционной памяти. Реализован модуль компилятора GCC для профилирования параллельных программ и адаптивной настройки параметров реализации транзакционной памяти под программу. Эффективность метода исследована на тестовых программах из пакета STAMP.
Бесплатно
