Программирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование
Проектирование новых конструкции тканевых бронепанелей с использованием суперкомпьютерных вычислений
Статья научная
Рассматривается проектирование новых конструкций тканевых бронепанелей с использованием суперкомпьютерных вычислений. Проведены численные эксперименты по исследованию масштабируемости задач динамического взаимодействия индентора с тканевыми защитными преградами, расположенными на регистрирующей среде с применением пакета программ LS-DYNA. Были даны рекомендации по увеличению защитных свойств бронепанелей.
Бесплатно
Разностная схема для решения уравнений роста опухоли с учетом ограничения потока
Статья научная
В статье исследована одномерная математическая модель роста раковой опухоли в квазилинейных уравениях параболического типа. В модели вводится ограничение на полный поток подвижных опухолевых клеток, что приводит к возможности вырождения системы уравнений в гиперболический тип и появлению разрывных (слабых) решений. Для нахождения слабых решений развитие опухоли трактовалось как появление новой фазы. В итоге решение задачи свелось к решению обобщенной (нелинейной) задачи Стефана. Предложена и реализована разностная схема для данной задачи с явным выделением подвижной границы фазового перехода. Показано, что данный подход позволяет описывать различные режимы опухолевого роста.
Бесплатно
Разработка и анализ быстрого псевдоспектрального метода решения нелинейных задач Дирихле
Статья научная
Разработан метод численного решения 1D, 2D и 3D краевых задач Дирихле для нелинейных уравнений эллиптического типа. Метод основан на применении чебышевских приближений искомой функции, не имеющих насыщения, и нового подхода к формированию и решению задач линейной алгебры при дискретизации исходных дифференциальных уравнений. При этом дифференциальные операторы аппроксимируются с помощью матриц, а само уравнение (в 2D и 3D случаях) - с помощью уравнения Сильвестра, либо его тензорного обобщения. В тестовых задачах с решениями различной степени гладкости показана зависимость порядка сходимости предложенного метода от гладкости искомого решения, строго соответствующая оценкам погрешности наилучших полиномиальных приближений. Указанные свойства свидетельствуют об отсутствии насыщения алгоритма и обеспечивают низкий расход памяти и машинного времени при численном анализе задач, решения которых имеют высокий порядок гладкости.
Бесплатно
Разработка и анализ высокопроизводительных параллельных алгоритмов решения кооперативных игр
Статья научная
В работе рассматривается подход к решению вычислительно-сложной задачи - построение оптимальной коалиции и распределение выигрыша в кооперативной игре заданной множеством биматричных игр для п игроков с помощью решения стратегических игр и использованием параллельных вычислительных технологий.
Бесплатно
Статья научная
Предложен, реализован и верифицирован новый высокоточный hp-вариант метода коллокации и наименьших квадратов (hp-МКНК) численного решения эллиптических задач в нерегулярных областях. При построении приближенного решения использовались граничные нерегулярные ячейки (н-ячейки), отсеченные границей области от ячеек прямоугольной сетки, и их законтурные части для записи уравнений коллокации и условий согласования. В малых и (или) вытянутых несамостоятельных н-ячейках отдельное решение не строилось, а продолжалось из соседних самостоятельных ячеек, в которых использовалась внешняя (и внутренняя в многосвязной области) часть границы области, заключенная в этих несамостоятельных н-ячейках, для записи краевых условий. Такой подход существенно упростил компьютерную реализацию разработанного hp-МКНК по сравнению с предыдущим хорошо зарекомендовавшим его вариантом, не потеряв при этом своей эффективности. Показана возможность уменьшения степени переопределения системы линейных алгебраических уравнений по сравнению с ее значениями в традиционных вариантах МКНК при решении бигармонического уравнения. Проведено сравнение с результатами других работ с демонстрацией преимуществ нового подхода. Приведены результаты расчетов кольцевых пластин различной толщины на изгиб в рамках теорий Кирхгофа - Лява и Рейсснера - Миндлина с помощью hp-МКНК, демонстрирующего отсутствие сдвигового запирания.
Бесплатно
Разработка параллельной СУБД на основе последовательной СУБД PostgreSQL с открытым исходным кодом
Статья научная
Статья посвящена разработке параллельной системы управления базами данных (СУБД) путем внедрения механизмов параллельной обработки запросов на основе концепции фрагментного параллелизма в свободно распространяемую на уровне исходных кодов СУБД PostgreSQL. Описана архитектура и принципы реализации параллельной СУБД PargreSQL для кластерных вычислительных систем, разрабатываемой на основе свободно распространяемой СУБД PostgreSQL. СУБД PostgreSQL является подсистемой в рамках системы PargreSQL. Описаны изменения, которые требуется внести в исходные тексты подсистем СУБД PostgreSQL. В исходные тексты PostgreSQL вносятся минимальные изменения. Изменения в структурах данных и алгоритмах инкапсулируются в новых файлах исходных текстов, подключаемых к исходным текстам PostgreSQL. Использование PargreSQL является прозрачным для пользовательских приложений. Подключение PargreSQL к прикладным программам, которые до этого использовали PostgreSQL, производится с минимальными изменениями в исходных кодах приложения. Параллельная СУБД PargreSQL, запущенная на одном вычислительном узле, работает так же, как последовательная СУБД PostgreSQL.
Бесплатно
Статья научная
В последнее время широкое распространение получили криптографические примитивы, которые базируются на эллиптических кривых над конечными полями. Основная причина этого заключается в том, что эллиптические кривые позволяют строить примеры конечных абелевых групп с хорошими, для криптографических целей параметрами. Кроме того, меняя характеристику поля можно легко повышать стойкость шифра. Существенную роль играет возможность удобной программной реализации. Разработан и программно реализован криптографический протокол цифровой подписи на основе эллиптических кривых. Протокол производит шифрование сообщения, формирование цифровой подписи, передачу сообщения и расшифровку на стороне получателя. Проанализирована криптографическая стойкость протокола несколькими методами. Построен график зависимости криптографической стойкости протокола от характеристики конечного поля, над которым строится эллиптическая кривая. Написана программа на языке C++ в среде программирования Visual C++ 2010 с поддержкой библиотеки больших чисел GMP, производящая шифрование и дешифрование сообщения в соответствии с построенным протоколом. Разработанная программа является инструментом, позволяющим передавать и получать сообщения с достаточной степенью криптографической стойкости и приемлемой скоростью.
Бесплатно
Распараллеливание рекуррентных циклов с предварительным вычислением суперпозиций
Статья научная
Как правило, именно циклы являются участками кода, вычисление которых занимает много времени. Поэтому, именно на них направляются особые усилия при ускорении программ, в частности, через распараллеливание. В статье описывается алгоритм распараллеливания циклов, вычисляющих элементы рекуррентно заданной последовательности. Рекуррентные циклы, рассматриваемые в статье, непосредственно распараллелены быть не могут. С помощью вспомогательных преобразований иногда их можно привести к циклам, допускающим параллельное выполнение. Ранее автором статьи был опубликован другой алгоритм распараллеливания циклов, вычисляющих элементы рекурсивно заданной последовательности. В современных процессорах время выполнения арифметических операций оказывается на порядок меньше, чем считывание аргументов этих операций из оперативной памяти. В данной статье приводятся оценки сложности по обращению к памяти, для описываемого алгоритма. Представленный в статье параллельный алгоритм оказывается более эффективным по обращениям к памяти, чем алгоритм, описанный автором ранее.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрен подход к масштабированию сервиса морфологического разбора слов естественного языка при обработке различных коллекций документов на русском языке. Выполнен обзор и критический анализ существующих решений. Сформированы требования к инструментальной среде словарного морфологического анализатора. Распределенная архитектура Web-сервиса морфологического анализа, предназначенного для обработки крупных коллекций документов на русском языке, представлена в виде структурной модели. Данная архитектура реализована в виде прототипа системы на языке программирования Ruby. Приведена структура используемого морфологического словаря в виде реляционной схемы. Испытания данного метода в распределенной вычислительной среде показали линейную масштабируемость предлагаемого решения. Конфигурация эксперимента включает систему генерации нагрузки в виде HTTP-запросов, систему балансировки нагрузки на рабочие узлы распределенной системы, серверы приложений с функционирующим анализатором и базу данных морфологического словаря, а также кэширующий узел для снижения издержек при выполнении запросов к словарю. Применение данного подхода позволяет получить линейный рост производительности в распределенных системах автоматической обработки больших объемов текста.
Бесплатно
Статья научная
Рациональной альтернативой созданию собственного суперкомпьютерного центра для решения сложных задач инженерного моделирования является аренда вычислительных и программных ресурсов в режиме удаленного доступа у центров коллективного пользования. Однако при этом возникает целый комплекс проблем, связанных с организацией прозрачного и безопасного доступа к таким ресурсам. В статье предложено описание технологии CAEBeans, обеспечивающей автоматизированную генерацию проблемно-ориентированных грид-сервисов, позволяющих использовать программные системы для инженерного проектирования и анализа в распределенных вычислительных средах.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается расчет трехмерного магнитного поля системы постоянных магнитов и ферромагнетиков на основе интегрального уравнения намагниченности и модели Джиллса - Аттертона. Предполагается, что магнитная система состоит из постоянных магнитов и конструктивных элементов, выполненных из ферромагнитных материалов с известными характеристиками. Одной из задач является учет влияния магнитного гистерезиса материала каркаса на точность расчета магнитного поля. Для решения интегрального уравнения намагниченности используются метод ячеек и метод итерационной релаксации. Основная кривая намагниченности вычисляется по формуле Ланжевена. В качестве модельной задачи рассматривается расчет магнитного поля, создаваемого прямоугольным постоянным магнитом, расположенным на ферромагнитном основании в виде параллелепипеда. Полученные результаты могут быть использованы также при решении прямых и обратных задач для системы ферромагнитных тел и в тестовых задачах для сравнения с другими методами.
Бесплатно
Расширение DVM-модели параллельного программирования для кластеров с гетерогенными узлами
Статья научная
В статье рассматриваются принципы расширения DVM-модели и построения языка Fortran DVMH для кластеров с гетерогенными узлами. Новые возможности языка позволяют: определить фрагменты программы, которые следует выполнять на том или ином ускорителе; определить данные, необходимые для выполнения заданного фрагмента программы; задать правила отображения витков цикла на ускоритель; управлять перемещением данных между оперативной памятью универсального процессора и памятью ускорителей. Описываются принципы построения компилятора с языка Fortran DVMH и новые функции системы поддержки параллельного выполнения программ Lib-DVMH. Приводятся экспериментальные данные об эффективности выполнения тестовых программ на графических процессорах кластера К-100. Появление компилятора с языка Fortran DVMH не только упростит разработку программ для кластеров с гетерогенными узлами, но и ускорит создание для таких кластеров автоматически распараллеливающего компилятора с языка Fortran, использующего язык Fortran DVMH в качестве выходного языка, на котором программист сможет проводить дополнительную ручную оптимизацию программы.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается применение расширенного распараллеливания для расчетов задач газовой динамики и аэроакустики на гетерогенных кластерах с узлами, сочетающими вычислительные элементы принципиально разной архитектуры, CPU и GPGPU. Двухуровневая модель распараллеливания MPI+OpenMP дополняется применением OpenCL для загрузки GPGPU, таким образом, реализуется третий уровень параллелизма. Представлена параллельная модель алгоритма для неструктурированных сеток.
Бесплатно
Реализация и композиция проблемно-ориентированных сервисов в среде MathCloud
Статья научная
В статье рассматриваются принципы реализации и основные компоненты сервис-ориентированной научной среды MathCloud. Целями данной среды являются предоставление унифицированного доступа к проблемно-ориентированным вычислительным сервисам и поддержка интеграции данных сервисов при решении прикладных задач. Во главу предлагаемого подхода к реализации среды MathCloud ставятся удобство разработки сервисов, простота доступа к сервисам пользователей и использование открытых технологий.
Бесплатно
Реализация параллельного алгоритма предсказания в методе градиентного бустинга деревьев решений
Статья научная
Описано несколько параллельных реализаций одного из алгоритмов обучения с учителем - градиентного бустинга деревьев решений (Gradient Boosting Trees) - с использованием библиотеки Intel Threading Building Blocks. Приводятся результаты экспериментального сравнения и анализ производительности различных подходов к распараллеливанию.
Бесплатно
Рекуррентный векторный метод матричных пучков
Статья научная
Метод матричных пучков оценивает параметры входных сигналов, являющихся суммой комплексных экспонент. Метод хорошо работает во многих приложениях (оценка направления прихода сигнала, прогнозирование сигнала во временной области, обработка сигналов кориолисового массового расходомера). Существуют множество модификаций классического метода, например: рекуррентный метод матричных пучков, позволяющий отслеживать параметры сигналов в режиме скользящего окна, и векторный метод, способный оценивать параметры сразу нескольких входных сигналов с одинаковыми полюсами. Подобная задача возникает при оценке параметров измерительных сигналов в кориолисовом массовом расходомере, где пара сигналов с его сенсоров имеет одинаковые частоты для всех мод колебаний. В данной статье представлена новая модификация - рекуррентный векторный метод матричных пучков, который является синтезом двух уже упомянутых методов и позволяет отслеживать параметры нескольких входных сигналов с одинаковыми полюсами в режиме скользящего окна. В статье приведены алгоритмы всех методов и их сравнение с помощью численного моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Для численного решения двумерного интегрального уравнения Фредгольма второго рода предложен новый алгоритм на основе метода коллокации и наименьших квадратов с полиномиальной аппроксимацией. В нем решение отыскивается в виде полиномиального аппроксиманта с неопределенными коэффициентами, после подстановки которого в изначальное уравнение получается приближенное относительно искомых коэффициентов уравнение. Для его решения применяется метод коллокации, причем число точек коллокации берется чаще всего больше числа коэффициентов искомого аппроксиманта. Коллокациями полученного уравнения получается переопределенная система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно искомых коэффициентов. Предложенный алгоритм реализован в компьютерной программе. Его применением решен ряд уравнений, решенных другими методами и приведенных в известных публикациях. Сравнением численных результатов показано преимущество по точности нового алгоритма перед другими методами, примененными для решения этих уравнений. В численных экспериментах исследовано влияние параметров метода на обусловленность переопределенных СЛАУ, решением которых отыскиваются полиномиальные аппроксимации решения интегральных уравнений. В таблицах численных результатов приведены значения параметров алгоритма, с которыми получены конкретные решения: степень аппроксимирующего полинома, число ячеек и узлов квадратуры Гаусса, степень переопределенности и обусловленность матрицы СЛАУ.
Бесплатно
Решение эллиптических уравнений в полигональных областях методом коллокации и наименьших квадратов
Статья научная
В данной работе рассматривается новый вариант метода коллокации и наименьших квадратов (КНК) для численного решения краевых задач для эллиптических уравнений в полигональных областях, в том числе в многосвязных. Возможности этого варианта и численные эксперименты рассмотрены на примерах решения уравнения Пуассона и неоднородного бигармонического уравнения. В качестве приложения решение неоднородного бигармонического уравнения использовано для моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) изотропной упругой тонкой пластинки полигональной формы, находящейся под действием поперечной нагрузки. Новый вариант метода КНК основан на триангуляции исходной области, чем принципиально отличается от предложенных ранее более сложных вариантов метода КНК решения краевых задач для уравнений с частными производными (УЧП) в нерегулярных областях. Установлено, что приближенные решения рассмотренных задач на последовательности измельчающихся сеток сходятся с повышением порядка и с высокой точностью совпадают с тестовыми решениями.
Бесплатно
Решения Обратных двумерных задач сверхразрешения при использовании нейросетей
Статья научная
Представлен метод получения радиоизображений объектов в двумерном пространстве со сверхразрешением на основе приближенных решений обратной задачи в виде интегрального уравнения Фредгольма первого рода. Обработка сигналов на основе нового метода позволяет: получать детализированные изображения различных зондируемых областей и объектов; определять количество и расположение малоразмерных объектов в составе сложных целей, которые раздельно не фиксировались; повысить качество решений задач идентификации объектов. Метод применим для систем радиолокации, радионавигации, дистанционного зондирования, использующих многоэлементные излучающие системы. Он основан на экстраполяции сигналов, принимаемых всеми элементами, за пределы самой системы. Решена задача создания необходимой для этого нейронной сети и ее обучения. В итоге на базе исходного формируется новое интегральное уравнение с новым ядром и новыми исходными данными. Этот процесс эквивалентен созданию виртуальной угломерной системы значительно большего размера и, следовательно, с возросшей точностью измерений и повышенным угловым разрешением. Относительно исходной системы, решения полученные созданной виртуальной угломерной системой оказываются решениями со сверхразрешением. На примерах демонстрируется эффективность метода, оценивается адекватность и устойчивость получаемых решений. Численно исследуется степень превышения угломерной системой критерия Рэлея.
Бесплатно
Статья научная
Построено новое двухпараметрическое семейство разностных схем для численного решения уравнения Хопфа. Исходная задача заменялась задачей для системы двух дифференциальных уравнений на основе различных дивергентных форм уравнения Хопфа. Потоковые члены выражались в виде линейных комбинаций переменных, входящих в разные дивергентные формы. В отличие от большинства работ, использующих методы неопределенных коэффициентов для построения разностных схем, при таком подходе неопределенные коэффициенты возникают при формулировке дифференциальной задачи. Система уравнений сохраняет гиперболический тип при любых значениях параметров. Для численной реализации за основу выбрана известная сеточно-характеристическая схема в инвариантах Римана, которая в случае линейного уравнения с постоянными коэффициентами переходит в схему Лакса - Вендроффа. Проведены расчеты двух тестовых задач - об эволюции гладкого начального условия и формировании разрывного решения и о распространении "ударной волны". По результатам тестовых расчетов подобраны коэффициенты экстраполяции, позволяющие получить хорошее согласие с точным решением. Исследовался апостериорный порядок сходимости к предельной функции для разрывных решений. При удачно подобранных коэффициентах экстраполяции он незначительно превышает единицу в момент градиентной катастрофы. При распространении сильного разрыва на больших временах порядок сходимости падает до 0,76. Остается открытым вопрос о постановке оптимизационной задачи, позволяющей выбирать коэффициенты экстраполяции наилучшим образом, возможно, в зависимости от локальных свойств решения. Также открытым пока остается вопрос о создании гибридных разностных схем с переменными коэффициентами экстраполяции в зависимости от гладкости решения.
Бесплатно
