Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Статья научная
This paper describes the development of a program for analysis of intoning of verbal pieces in the Russian language. The goal is to measure the differences between the intoning of verbal pieces by both native and international Russian language speakers. The research methodology is based on the application of neural network analysis for solving the task of identification of speech samples, obtained by recording inophones’ speech. The experiment was carried out with the participation of 12 people: native speakers of the Russian language and the Chinese language, both male and female, aged from 20 to 35. A total number of speech samples amounted to 4800 items. Overall, 10 speech items in declarative and interrogative intonation were analyzed. A neural network that provides an assessment of correspondence of a speech sample to the standard variant of intoning was formed and trained. The results of experimental research are presented in the form of statistical assessments of pronouncing the verbal pieces with various intonations. These results are recommended to be applied in the process of learning Russian as a foreign language: the obtained data are considered as the confidence threshold of intoning identification, which complies with the standard or deviates from it. The results can also be applied for the individualized automated compilation of recommendations on correction of mistakes.
Бесплатно
Статья научная
Nowadays, we see a steady growth in the use of cloud computing in modern business. This enables to reduce the cost of IT infrastructure owning and operation; however, there are some issues related to the management of data processing centers. One of these issues is the effective use of companies' computing and network resources. The goal of optimization is to manage the traffic in cloud applications and services within data centers. Taking into account the multitier architecture of modern data centers, we need to pay a special attention to this task. The advantage of modern infrastructure virtualization is the possibility to use software-defined networks and software-defined data storages. However, the existing optimization of algorithmic solutions does not take into account the specific features of the network traffic formation with multiple application types. The task of optimizing traffic distribution for cloud applications and services can be solved by using software-defined infrastructure of virtual data centers. We have developed a simulation model for the traffic in software-defined networks segments of data centers involved in processing user requests to cloud application and services within a network environment. Our model enables to implement the traffic management algorithm of cloud applications and optimize the access to storage systems through the effective use of data transmission channels. During the experimental studies, we have found that the use of our algorithm enables to decrease the response time of cloud applications and services and, therefore, increase the productivity of user requests processing and reduce the number of refusals.
Бесплатно
Hybrid computer system programming technology with adaptation and scaling of calculations
Статья научная
The paper considers the programming technology for hybrid computer systems, which contain reconfigurable and microprocessor computational nodes. The base of the programming technology for hybrid computer systems is the high-level programming language COLAMO with extensions, which allow descriptions of various types of parallel calculations such as structural, structural-procedural, multi-procedural and procedural forms of organization of calculations in a unified parallel-pipeline form. The suggested parallel-pipeline form allows modifications of forms of organization of calculations. Such modifications are performed automatically by the COLAMO language preprocessor, which takes into account current configuration of the hybrid computer system. Owing to the suggested technology, the program can be automatically adapted to the changed architecture or configuration of the hybrid computer system without any modifications of the source code made by the developer. Specially for this the source parallel program, developed in the programming language COLAMO, is transformed by the pre-processor into the canonical form. Then the pre-processor estimates the available computational resource, detects effective parameters of implementation of the program on the available resource and, if necessary, reduces the program performance to adapt it to the current configuration of the hybrid computer system. The technology provides two-way scaling: for increasing of the available computational resource (induction), and for reducing of the available computational resource (reduction), which provides resource independence of programming during implementation of the program, i.e. the developer is not “bound” to the available hardware resource of the computer system.
Бесплатно
Octoshell: система для администрирования больших суперкомпьютерных комплексов
Статья научная
Управление современными суперкомпьютерными центрами и входящими в их состав вычислительными системами представляет собой сложный и комплексный процесс. Традиционное использование многочисленных инструментов для решения отдельных задач по управлению и администрированию суперкомпьютеров становится ограничивающим фактором эффективного использования вычислительных ресурсов при растущих масштабах систем. Разработанная система поддержки работы суперкомпьютерных центров «Octoshell» призвана решить указанную проблему, реализуя в едином интерфейсе основные инструменты администрирования, и позволяет в значительной мере автоматизировать выполнение типовых задач обеспечения эффективного функционирования больших суперкомпьютерных комплексов.
Бесплатно
Parallel algorithms for effective correspondence problem solution in computer vision
Статья научная
We propose new parallel algorithms for correspondence problem solution in computer vision. We develop an industrial photogrammetric system that uses artificial retroreflective targets that are photometrically identical. Therefore, we cannot use traditional descriptor-based point matching methods, such as SIFT, SURF etc. Instead, we use epipolar geometry constraints for finding potential point correspondences between images. In this paper, we propose new effective graph-based algorithms for finding point correspondences across the whole set of images (in contrast to traditional methods that use 2-4 images for point matching). We give an exact problem solution via superclique and show that this approach cannot be used for real tasks due to computational complexity. We propose a new effective parallel algorithm that builds the graph from epipolar constraints, as well as a new fast parallel heuristic clique finding algorithm. We use an iterative scheme (with backprojection of the points, filtering of outliers and bundle adjustment of point coordinates and cameras’ positions) to obtain an exact correspondence problem solution. This scheme allows using heuristic clique finding algorithm at each iteration. The proposed architecture of the system offers a significant advantage in time. Newly proposed algorithms have been implemented in code; their performance has been estimated. We also investigate their impact on the effectiveness of the photogrammetric system that is currently under development and experimentally prove algorithms’ efficiency.
Бесплатно
Статья научная
Efficient use and high output of any supercomputer depends on a great number of factors. The problem of controlling granted resource utilization is one of those, and becomes especially noticeable in conditions of concurrent work of many user projects. It is important to provide users with detailed information on peculiarities of their executed jobs. At the same time it is important to provide project managers with detailed information on resource utilization by project members by giving access to the detailed job analysis. Unfortunately, such information is rarely available. This gap should be eliminated with our proposed approach to supercomputer application integral characteristics analysis for the whole queued job collection of large-scale HPC systems based on system monitoring data management and study, building integral job characteristics, revealing job categories and single job run peculiarities.
Бесплатно
Virtualization of heterogeneous HPC-clusters based on OpenStack platform
Статья научная
The paper addresses to the problem of integration of heterogeneous computing clusters to the united environment based on a virtualization technology. OpenStack software is selected as a platform for managing the virtual environment. The OpenStack platform provides a wide range of components and solutions to a functional interaction with different hypervisors. These include KVM, XEN, ESXi, QEMU and other systems. In addition to the OpenStack platform, we developed a specialized hypervisor shell. It helps to start virtual machines using queues of the traditional resource management systems, such as PBS, SLURM, LSF, or SGE, that are used on clusters of a center of collective usage. The developed model of the resource allocation for virtual machines allowed us to use the knowledge about job requests, resource characteristics and current state of the environment, and the expertise of it administrators. The realized tools provide the capability for the “painless” integration of heterogeneous clusters with the preinstalled local resource managers for creating the virtual cluster with the required configuration. Extensive modeling shows that the hypervisor shell can improve efficiency of integrated environment nodes through reallocating virtual machines to queues of the traditional resource management systems.
Бесплатно
Статья научная
Автоматическое отображение последовательных программ на вычислительные системы с распределенной памятью может потребовать предварительного преобразования программ, ориентированного на данный класс систем. Использование системы САПФОР для распараллеливания прикладных программ позволило выделить преобразования, выполнение которых может быть автоматизировано. В статье представлены преобразования, повышающие возможность эффективного распараллеливания программ за счет устранения причин, препятствующих распараллеливанию циклов. Выполнение данных преобразований позволило автоматизировать получение последовательной реализации, эффективно отображаемой на современные кластеры автоматически распараллеливающим компилятором системы, для задачи гидродинамики.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматривается актуальная на данный момент проблема генерации набора нечетких правил для системы нечеткого вывода Мамдани на основе числовых данных, получаемых в процессе обучения управляемой системы. Предлагаемый в статье подход к решению данной проблемы базируется на алгоритмах четкой и нечеткой кластеризации, таких как алгоритм горной кластеризации и алгоритм Густафсона-Кесселя. Он позволяет значительно упростить процесс формирования набора нечетких правили минимизировать участие человека в этом процессе, позволяя автоматически подбирать количество правил,а также определять все необходимые параметры каждого из них. Для реализации предложенного подхода были написаны две компьютерные программы. Первая из них собирает числовые данные при управлении человеком гусеничной тележкой. На основе собранных данных эта программа строит базу нечетких правил управления гусеничным шасси. Эта база нечетких правил и ее компьютерная реализация в дальнейшем используется во второй программе для автоматизированного управления мобильным роботом на гусеничном шасси на плоскости при помощи изменения силы тяги каждой из гусениц в зависимости от положения цели,к которой робот должен приблизиться на заданное расстояние.
Бесплатно
Алгоритм полиномиальной сложности для поиска соответствующих точек на основе эпиполярной геометрии
Статья научная
Задача установления соответствий между изображениями точек на различных снимках является основой многих базовых алгоритмов компьютерного зрения. Существуют несколько подходов к решению данной задачи: на основе дескрипторов, на основе эпиполярной геометрии и комбинированные методы. В настоящей статье рассматриваются методы поиска соответствующих точек, основанные на эпиполярной геометрии, применительно к разрабатываемой авторами фотограмметрической измерительной системе (ФИС), использующей искусственные световозвращающие однотипные круговые маркеры (мишени) в роли контрольных точек. В качестве математической модели для задачи нахождения соответствий авторами предлагается использовать взвешенный многодольный неориентированный граф, множество вершин в котором соответствует множеству изображений искусственных маркеров (мишеней) на снимках, а множество ребер определяет множество изображений, взаимно удовлетворяющих эпиполярным ограничениям. Представлено теоретически точное решение задачи на основе суперклики. Выполнена оценка временной сложности решения задачи через суперклику; показано, что данный подход является экспоненциально сложным. Рассмотрены варианты применения различных эвристических алгоритмов установления соответствий между точками. Подобные алгоритмы не всегда приводят к точному результату, однако способны сформировать приближенное решение за практически приемлемое время. Благодаря особой архитектуре, разработанной авторами ФИС, становится возможным использование быстрых приближенных алгоритмов; возможные неточности будут автоматически нейтрализованы на дальнейших этапах работы ФИС. Подобный подход позволяет восстанавливать точную трехмерную структуру измеряемой сцены за приемлемое время. Авторами предложен новый полиномиальный параллельный алгоритм поиска соответствующих точек. Оценена временная сложность разработанного алгоритма (полином 4-й степени). Выполнена сравнительная оценка производительности и эффективности нового алгоритма, в качестве алгоритмов сравнения выступают более ранние алгоритмы авторов, а также алгоритм H.-G. Maas. Новый алгоритм превосходит по производительности все конкурирующие алгоритмы.
Бесплатно
Алгоритм репрезентативного сэмплинга для систем баз данных на основе фрагментного параллелизма
Статья научная
Сэмплинг является популярным подходом к обработке сверхбольших баз данных в широком спектре приложений, связанных с интеллектуальным анализом данных, построением гистограмм, приблизительное исполнение запросов и др. Использование сэмпла вместо оригинальной базы данных может уменьшить точность результатов, но компенсируется сокращением времени выполнения обработки. Репрезентативный сэмплинг позволяет сохранить в сэмпле определенные характеристики базы данных. Однако существующие алгоритмы репрезентативного сэмплинга не могут быть применены для параллельных систем баз данных, поскольку не учитывают характеристики данных, распределяемых по вычислительным узлам кластерной системы. В данной статье предлагается алгоритм репрезентативного сэмплинга для параллельных реляционных систем баз данных на основе фрагментного параллелизма. Приведены результаты вычислительных экспериментов над предложенным алгоритмом, показавшие адекватное сохранение репрезентативности свойств базы данных, распределенной по узлам кластерной системы.
Бесплатно
Алгоритм фрактального поиска в реляционных базах данных
Статья научная
Статья посвящена вопросам разработки алгоритмов фрактального анализа реляционных баз данных. Дается обзор и сравнительный анализ известных приложений теории фракталов к обработке данных. Предложен новый алгоритм фрактального поиска в реляционной базе данных, позволяющий обнаруживать повторяющиеся группы данных. Приведена общая схема алгоритма. Рассмотрена реализация для СУБД Oracle. Представлена реализация с использованием модели распределенных вычислений MapReduce. Приводятся примеры использования разработанного алгоритма для сжатия и анализа содержимого базы данных
Бесплатно
Векторная модель авторегрессии показателей производственной деятельности строительного предприятия
Статья научная
В статье проанализированы существующие экономико-математические модели: корреляционно-регрессионный анализ, производственные функции, системы эконометрических уравнений; приведены их общий вид, формулы расчета, выявлены их сильные и слабые стороны, предлагается векторная модель авторегрессии основных показателей производственной деятельности строительного предприятия (производительность труда, рентабельность продукции, механовооруженность (технический уровень строительных машин и оборудования), относительная численность руководящего звена предприятия, своевременность выполнения работ, дискретность использования ресурсов, стоимость продукции, качество продукции) на основе построения VAR-модели. В качестве основы для построения VAR-модели авторегрессии показателей производственной деятельности строительного предприятия авторами предлагается использовать систему из трех взаимосвязанных уравнений. Приведены достоинства и недостатки векторной модели авторегрессии, а также результаты оценивания коэффициентов в VAR- модели. Полученные значения коэффициентов проанализированы с помощью теста Грэнджера на причинность, основанном на анализе причинно-следственной связи между временными рядами. В статье определяется функция импульсного отклика, описывающая реакцию динамического ряда в ответ на некоторые внешние шоки. Построены графики откликов основных результирующих показателей деятельности строительного предприятия. Выдвинутые в статье гипотезы проверены на основе использования F-теста и LM-теста. Авторы детально анализируют полученные результаты расчетов и убедительно доказывают актуальность предложенной в статье методики.
Бесплатно
Векторная модель представления знаний на основе семантической близости термов
Статья научная
Большинство методов интеллектуального анализа текстов используют векторную модель представления знаний. Векторная модель использует частоту (вес) терма, чтобы определить его важность в документе. Термы могут быть схожи семантически, но отличаться лексикографически, что,в свою очередь, приведет к тому, что классификация, основанная на частоте термов, не даст нужного результата. Причиной ошибок является отсутствие учета таких особенностей естественного языка, как синонимия и полисемия. Неучет этих особенностей, а именно синонимии и полисемии, увеличивает размерность семантического пространства, от которой зависит быстродействие конечного программного продукта, разработанного на основе алгоритма. Кроме того, результаты работы многих алгоритмов сложно воспринимаются экспертом предметной области, который подготавливает обучающую выборку, что, в свою очередь, также сказывается на качестве выдачи алгоритма. В работе предлагается модель, которая помимо веса терма в документе, так же использует «семантический вес терма». «Семантический вес термов» тем выше, чем они семантически ближе друг к другу. Для вычисления семантической близости термов будем использовать адаптацию расширенного алгоритма Леска. Метод расчета семантической близости состоит в том, что для каждого значения рассматриваемого слова подсчитывается число слов упомянутых как в словарном определении данного значения (предполагается, что словарное определение содержит описание нескольких значений слова),так и в ближайшем контексте рассматриваемого слова. В качестве наиболее вероятного значения слова выбирается то, для которого такое пересечение оказалось больше. Векторная модель с учетом семантической близости термов решает проблему неоднозначности синонимов.
Бесплатно
Верификация алгоритма построения поля потоков цифровых изображений отпечатков пальцев
Статья научная
Построение полей потоков для цифровых изображений дактилоскопических узоров является важным шагом в процедурах идентификации и сравнения по отпечаткам пальцев. В частности, результаты построения поля потоков существенно влияют на фильтрацию таких признаков изображений, как минуции, петли, дельты и завитки. Кроме того, улучшение качества построения поля потоков может значительно снизить общую ошибку идентификации. В данной статье представлено описание разработанного алгоритма построения поля потоков цифровых изображений отпечатков пальцев. Предложенный алгоритм основан на улучшенном методе градиентов. Этот метод применяется в два прохода с различными размерами апертур и двумя видами сглаживания: общим и вдоль направления линий узора. Произведена оценка качества данного алгоритма с помощью веб-фреймворка, созданного на базе Болонского университета в Италии. Этот фреймворк организован с целью автоматической, удаленной оценки результатов работы различных режимов распознавания отпечатков пальцев, в том числе и распознавание поля потоков. Выполнены требования, предъявляемые данным фреймворком к структуре программы, входным и выходным данным. Рассмотрены и проанализированы результаты оценки работы алгоритма выбранным фреймворком. Выполнено сравнение оценки результатов алгоритма с исходным методом градиентов, а также с опубликованными в открытом доступе результатами других участников тестирования.
Бесплатно
Высокопроизводительный виртуальный скрининг в Enterprise Desktop Grid на базе BOINC
Статья научная
В работе представлен опыт разработки и использования распределенной вычислительной инфраструктуры Enterprise Desktop Grid на базе программной платформы BOINC для проведения виртуального скрининга с использованием свободно распространяемого программного обеспечения и открытых баз данных моделей химических соединений. Согласно концепции Enterprise Desktop Grid, в рамках виртуальной единой вычислительной сети объединяются неспециализированные вычислители, принадлежащие одной организации или группе пользователей, напрямую заинтересованных в решении прикладной задачи. В работе приводится описание и оценка производительности Enterprise Desktop Grid, созданной в рамках совместного научно-исследовательского проекта Института экспериментальной дерматологии при университете г. Любек (Германия) и Института прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН. Приведены выводы о применимости подхода, а также краткий обзор полученных результатов виртуального скрининга.
Бесплатно
Гибридные вычислительные кластеры для изучения структуры, функции и регуляции белков
Статья научная
Изучение структуры, функции и регуляции белков с использованием биоинформатики и молекулярного моделирования является комплексной задачей, требующей сочетания различных методов и способов их исполнения. На практике, речь идет о конвейере из последовательных этапов, исполняемых различными программами, предъявляющими свои требования к вычислительным ресурсам. Гибридные вычислительные кластеры - системы, обладающие существенной мощностью и разнообразием аппаратных возможностей - необходимы для того, чтобы оптимально исполнить каждую отдельную стадию единого комплексного решения. При этом GPU-ускорители открывают новые возможности для поиска эффективных решений ресурсоемких задач биоинформатики и молекулярного моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена вопросам декомпозиции реляционных операций путем использования распределенных колоночных индексов с доменно-интервальной фрагментацией. Такая декомпозиция позволяет организовать параллельное выполнение ресурсоемких реляционных операций без обменов данными между процессорными ядрами. Все фрагменты колоночного индекса хранятся в оперативной памяти в сжатом виде. При параллельном выполнении реляционной операции упакованные фрагменты индексов входных отношений загружаются на различные процессорные ядра, где происходят их распаковка, выполнение реляционной операции над фрагментами и упаковка частичного результата, представляющего собой наборы ключей. За-тем частичные результаты объединяются в результирующий набор ключей, с использованием которого СУБД собирает результирующее отношение. Указанный подход позволяет организовать эффективное параллельное выполнение запросов к сверхбольшим базам данных на современных кластерных вычислительных системах, оснащенных многоядерными ускорителями.
Бесплатно
Имитационное моделирование подсети коллективных операций сети «Ангара»
Статья научная
В ОАО «НИЦЭВТ» разрабатывается высокоскоростная коммуникационная сеть «Ангара» с топологией «многомерный тор». Для исследования и оценки производительностиразрабатываемой сети при большом количестве используемых узлов создана параллельная потактовая имитационная модель сети. Сеть «Ангара» имеет аппаратную поддержку двух коллективных операций - broadcast и reduce. В статье описана реализация коллективных операций в имитационной модели, и представлены результаты оценки их производительности при помощи модели. Оценки производительности получены на базовых тестах broadcastи reduce, а также на прикладных задачах - умножение разреженной матрицы на вектор и численное решение нелинейного уравнения теплопроводности.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена разработке архитектуры инструментальных средств для поддержки формальной верификации функционально-потоковых параллельных программ на языке Пифагор. Используемый метод формальной верификации - дедуктивный анализ на базе исчисления Хоара. Процесс доказательства корректности программы представляется в виде дерева, каждый узел которого - информационный граф программы в котором дуги размечены формулами на языке спецификации. Корнем дерева является исходная тройка Хоара: информационный граф с предусловием и постусловием. В работе рассматриваются основные преобразования, применяемые к информационному графу программы: разметка дуг, эквивалентное преобразование, расщепление, свертка программы. Посредством данных преобразований исходная тройка модифицируется и в конечном счете сводится к набору формул на языке спецификации, истинность которых будет свидетельствовать о корректности программы. Предложена архитектура системы поддержки формальной верификации функционально-потоковых параллельных программ, которая позволяет строить дерево доказательства. Представлена реализация этой системы, описана ее основная функциональность.
Бесплатно
