Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 4 за 2018 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам |

21. Применение локальных трендов для предподготовки временных рядов в задачах прогнозирования [№4 за 2018 год]
Авторы: Пучков Е.В., Белявский Г.И.
Просмотров: 6376
В статье основное внимание уделяется изучению локальных трендов, характеризующих промежуточные движения в нестационарных временных рядах. В первой части работы рассмотрены возможности методов выделения закономерностей в исторических тенденциях с помощью кусочно-линейной аппроксимации, кусочно-логарифмической аппроксимации и метода локальных главных компонент. Построение локальных трендов проводилось с помощью метода сегментации временного ряда «снизу вверх», который позволил выявить основные направления движения временного ряда. Определены критерии качества и алгоритм выделения локальных трендов с помощью перечисленных методов. Проведены эксперименты для каждого метода предобработки временного ряда. Предполагается, что последовательность исторических локальных трендов описывает долгосрочную взаимосвязь во временном ряду и может быть успешно использована для прогнозирования, например, на основе гибридных нейросетевых методов. Во второй части работы рассмотрено классическое применение преобразования Хафа для аппроксимации случайных точек на плоскости отрезками прямых. Показан недостаток этого метода по сравнению с динамическим преобразованием Хафа, который учитывает динамику выборки и может быть использован в онлайн-обучении. Рассмотрен алгоритм прогноза с одновременным вычислением локального тренда с помощью динамического преобразования Хафа. Алгоритм легко распространяется на остальные способы аппроксимации данных, описанные в первой части работы. Проведены вычислительные эксперименты на реальных данных с помощью предложенного метода и получены прогнозы. Эксперименты показали возможность предлагаемого метода определять тенденции во временном ряду. Для всех экспериментов использованы данные c электрокардиограммы со сложной периодичностью и цены закрытий акций Газпрома.

22. Компьютерное моделирование структуры технических поверхностей на микроуровне [№4 за 2018 год]
Авторы: Рачишкин А.А., Сутягин О.В., Болотов А.Н.
Просмотров: 4556
В статье описывается структура программного средства для компьютерного моделирования топографии технических поверхностей. Модель построена с использованием экспериментальных данных о морфологии шероховатых поверхностей. Это позволяет моделировать трехмерную поверхность, используя данные о характеристиках микротопографии контактирующих поверхностей. При неполных данных или их отсутствии можно использовать статистически обработанные параметры продольных и поперечных профилей поверхностей. С учетом возможной неоднородности объекта исследований генерация микронеровностей осуществляется по специально разработанному математическому аппарату. Принятые допущения не оказывают существенного влияния на достоверность моделируемой поверхности. Такой подход позволяет проектировать неоднородные шероховатые поверхности, исходя из индивидуальных параметров каждой микронеровности. Проведенные аналитические расчеты и экспериментальные проверки показали сходимость в пределах допустимой погрешности моделируемой и реальной поверхностей. Расхождения обусловлены неоднородностью реальной шероховатой поверхности. Полное копирование топографии технически реализуемо, но ведет к невозможности построения расчетных моделей для исследования физических процессов, протекающих при контактном взаимодействии двух поверхностей. Таким образом, подход с принятием допущений представляется оптимальным решением при проектировании компьютерной модели, являющейся базовым модулем программы для исследования процесса взаимодействия шероховатых поверхностей с возможностью нанесения функционального покрытия. Разработанный математический аппарат и принятые входные параметры позволяют имитировать реальную шероховатую поверхность с максимально возможной достоверностью. Могут осуществляться как моделирование существующих шероховатых поверхностей с известными значениями входных параметров по обработке, так и предварительное проектирование наиболее оптимальной топографии поверхности, необходимой для решения конкретной инженерной задачи. Данная программа объединяет современные информационные технологии и аналитические разработки в области генерации шероховатых поверхностей. Она является отдельным, базовым модулем общей системы моделирования узлов трибосопряжений.

23. Программная модель для исследования эффективности процедур выделения контуров зашумленных изображений [№4 за 2018 год]
Авторы: Самойлин Е.А., Карпов С.А.
Просмотров: 7931
В статье развивается одно из направлений цифровой обработки изображений – задача выделения их контуров. Данная задача решается в интересах последующего распознавания объектов на изображении (по форме границ, углам между фрагментами контуров и т.п.), улучшения визуального качества изображения, подчеркивания границ объектов интереса, контрастирования и т.д. Цифровые изображения на практике регистрируются, как правило, в сложных и неблагоприятных условиях, что приводит к возникновению на них помех, описывающихся аддитивной гауссовской моделью шума. В соответствии с этим предложена программная модель, позволяющая исследовать эффективность самых различных методов, алгоритмов и процедур выделения контуров зашумленных изображений. Модель основана на сопоставлении контура изображения, полученного из зашумленного изображения, с идеальным контуром, полученным из аналогичного изображения без помех, и на последующем вычислении ошибок обнаружения контурных элементов первого (ложная тревога) и второго (пропуск) рода. При этом вычисление указанных ошибок осуществляется во всем возможном диапазоне среднеквадратического отклонения σ аддитивного гауссовского шума. Представлены примеры выделения контуров зашумленных изображений реальных сцен, а также зависимости частот ошибок первого и второго рода от среднеквадратического отклонения шума амплитуды σ от 0 до 200 (изображения при 256 уровнях квантования амплитуды яркости) для трех процедур выделения контура: на основе масок Превитта, Собела и лапласиана гауссиана. Кроме того, исследовано влияние процедуры линейной фильтрации зашумленного изображения на снижение частоты ошибок выделения контуров первого и второго рода.

24. Методика оценки качества гетерогенных робототехнических комплексов моделью Banker-Charnes-Cooper [№4 за 2018 год]
Авторы: Селиверстов Д.Е., Русаков К.Д., Хиль С.Ш., Савилкин С.Б.
Просмотров: 5567
В статье предложена методика оценки и определения направлений повышения качества гетерогенных робототехнических комплексов, состоящая из частных методик и основанная на разработанном на базе методологии анализа среды функционирования комплексе математических моделей. Одной из особенностей методологии анализа среды функционирования по оценке эффективности систем является то, что исследуемый объект обладает множеством входных и выходных разнородных параметров и решение задачи осуществляется в условиях этой разнородности, что имеет особое значение при гетерогенности комплекса. Посредством сложных математических преобразований моделирование на базе анализа среды функционирования дает возможность «сравнивать несравнимое». Методика оценки качества гетерогенных робототехнических комплексов предполагает определенный ряд факторов, описанных в статье, и строится на основе разработанных математических моделей оценки качества гетерогенных робототехнических комплексов и теоретических положений о критериях качества исследуемого объекта. В статье показано: если в соответствии с ограничениями необходимо добиться максимального уровня значений выходных показателей при фиксированных значениях показателей входа, выбирается разработанная модель анализа гетерогенных робототехнических комплексов, основанная на выходной модели Banker-Charnes-Cooper методологии анализа среды функционирования. Данная математическая модель позволяет проводить анализ качества гетерогенных робототехнических комплексов в условиях возможности сокращения затрат при фиксированных значениях выходных характеристик. Если определение направлений повышения качества гетерогенных робототехнических комплексов осуществляется в условиях возможности одновременного изменения значений как входных, так и выходных параметров, выбирается модель синтеза, основанная на аддитивной модели методологии анализа среды функционирования.

25. Информационная система выбора каналов управления технологическим объектом с целью синтеза энергосберегающей системы регулирования [№4 за 2018 год]
Авторы: Соболев А.В., Ляшенко А.И., Вент Д.П.
Просмотров: 4945
Современные системы автоматического управления способны решать разнообразные задачи в различных отраслях промышленности. При этом успех реализации системы зависит от цели ее построения, формируемой в виде некоторого критерия оптимальности. В работе дан анализ современного состояния вопросов энергосберегающего управления химико-технологическими системами. Отмечается сложность повышения энергетической эффективности при одновременном обеспечении оперативного по быстродействию управления химико-технологическими процессами. Предложен способ решения данной задачи путем создания энергосберегающих систем автоматического регулирования с избыточным числом управляющих воздействий, отличающихся по частотным и энергетическим характеристикам. В статье предлагается структура информационной системы, которая может быть использована для анализа многомерного объекта управления с целью выделения динамически и энергоэффективных каналов управления и последующего синтеза энергосберегающей системы автоматического регулирования. Описаны основные модули информационной системы, решаемые в них задачи синтеза и анализа, структура взаимодействия составляющих подсистем. Представлен алгоритм выбора энергосберегающего канала управления, в основе которого лежит определение эксергетической чувствительности. Эксергетические характеристики технологических процессов позволяют получить объективную оценку использования разнородных энергетических ресурсов и выявить резервы для энергосбережения. Приведена логическая структура подсистемы эксергетического анализа химико-технологических систем, описаны диаграмма классов, их основные функции и методы. Даны рекомендации по использованию автоматизированной системы эксергетического анализа химико-технологической системы. Предложен алгоритм выбора динамически эффективного канала управления, в основе которого лежит итерационная процедура расчета квадратичного интегрального критерия для заданного частотного диапазона работы.

26. Сравнительный анализ реализаций спин-блокировок [№4 за 2018 год]
Авторы: Тараканов Д.С., Косяков М.С.
Просмотров: 4844
Работа посвящена проблеме производительности многопоточных приложений, использующих спин-блокировки для синхронизации доступа к критической секции. Дано развернутое описание этого механизма с указанием потенциально узких мест. Проведен анализ существующих реализаций спин-блокировок, таких как POSIX-блокировка, билетная спин-блокировка и MCS-блокировка, с детальным разъяснением их внутреннего устройства. Для оценки эффективности введены две характеристики: оперативность приложения (время в процессорных циклах) и выполнение условия справедливости (определяется количественно). Для сравнения этих реализаций при использовании многоядерного процессора с общей кэш-памятью последнего уровня подготовлены и оптимизированы описанные спин-блокировки. Также разработано тестовое приложение, позволяющее варьировать количество потоков и полезную нагрузку в критической секции и вне ее. По результатам выполнения тестов построены графики и таблицы для значений введенных характеристик. На основе полученных данных выявлены характерные проблемы (недостаточная масштабируемость, невыполнение условия справедливости) для POSIX-блокировки и билетной спин-блокировки, негативно влияющие на производительность приложений, использующих эти примитивы синхронизации. Проведен подробный анализ причин возникновения данных проблем, который показал, что использование POSIX-блокировки и билетной спин-блокировки обусловливает необходимость постоянной синхронизации кэш-памяти. Дополнительно показано, что POSIX-блокировка не является справедливой, а MCS-блокировка потенциально может быть неэффективной при малом количестве потоков. Полученные результаты могут как использоваться для дальнейших исследований в области примитивов синхронизации, связанных с другими реализациями MCS-механизма или неблокирующими алгоритмами, так и учитываться при выборе спин-блокировки для применения ее в реальном приложении.

27. Транслятор тактической задачи в сеть Петри для группы наземных робототехнических комплексов [№4 за 2018 год]
Авторы: Тачков А.А., Козов А.В., Панков С.Е.
Просмотров: 7124
В работе сделан анализ основных подходов к формированию тактической задачи для группы робототехнических комплексов военного назначения. Выделен подход, основанный на использовании электронной карты в качестве графической основы для формирования задачи с помощью условных тактических знаков. Показано, что решение оператора может быть представлено ориентированным мультиграфом с конечным числом вершин и дуг. Для данного представления разработан транслятор тактической задачи, позволяющий преобразовать исходное решение оператора в виде условных тактических знаков в эквивалентную сеть Петри для управления группой наземных робототехнических комплексов военного назначения. Приведены формальная постановка задачи проектирования транслятора, его структура, основные блоки и типовые правила трансляции элементов решения оператора в сеть Петри. Разработанный транслятор базируется на применении геоинформационной системы и специального классификатора условных тактических знаков, кодирующих групповые действия робототехнических комплексов. Описана программная реализация транслятора на языке С++ в виде DLL-библиотеки для геоинформационной системы «Панорама», представлена диаграмма классов. Работа транслятора пояснена примером: рассмотрена типовая групповая задача, включающая такие групповые действия, как разбиение исходной группы наземных робототехнических комплексов на подгруппы, их параллельное перемещение к рубежам регулирования, перераспределение комплексов между подгруппами, выход на рубеж действия. Показаны исходное решение оператора в виде условных тактических знаков и получившаяся в результате трансляции эквивалентная сеть Петри. Применение разработанного транслятора совместно с технологией электронных карт позволило автоматизировать процесс формирования тактической задачи для группы наземных робототехнических комплексов военного назначения.

28. Грамматика запросов для хранилища разнородных данных в проактивных системах [№4 за 2018 год]
Авторы: Чан Ван Фу, Сай Ван Квонг, Щербаков М.В.
Просмотров: 6883
Проблема хранения и обработки разнородных данных (как структурированных, так и неструктурированных), получаемых из различных источников, актуальна при реализации систем проактивной поддержки этапа функционирования жизненного цикла сложных многообъектных распределенных систем. Разнородность данных требует хранения их описания в виде метаданных для последующей автоматической обработки. Для решения проблемы эффективного хранения разнородных данных используется архитектура, называемая «озеро данных». Она реализует механизмы пакетной обработки данных и обработки данных в режиме реального времени. Задача совершенствования методов для эффективного доступа к разнородным данным включает в себя следующие подзадачи: разработка грамматики запросов типа SQL к разнородным данным, построение парсера для распознавания запросов в соответствии с новой грамматикой, разработка модулей обработки разнородных данных в соответствии с запросом, разработка рекомендаций (методики) применения разработанных модулей в проактивных системах поддержки принятия решений. Предлагаемая грамматика основана на расширениях DML языка SQL, в частности, расширениях оператора SELECT. Для обработки сформированных запросов в соответствии с новой грамматикой сгенерирован парсер с использованием библиотеки ANTLR 3.0. В результате генерации созданы классы на языке Java, объекты которых используются для разбора запросов. Реализовано и испытано ПО на основе сгенерированного парсера и модулей обработки разнородных данных. В результате испытания ПО, реализующего предложенную грамматику в системе проактивной поддержки принятия решений, проанализировано время выполнения унифицированных запросов с различными объемами разнородных данных. Главным результатом применения грамматики является снижение времени на обработку разнородных данных в рамках одного запроса.

29. Разработка приложения для подготовки расчетных сеток посредством утилиты snappyHexMesh программной среды OpenFOAM [№4 за 2018 год]
Авторы: Читалов Д.И., Калашников С.Т.
Просмотров: 8624
В статье описываются устройство приложения с графическим интерфейсом пользователя для подготовки расчетных сеток, состоящих из стандартных и разделенных шестигранников на основе геометрий триангулированной поверхности посредством программной среды OpenFOAM, и пошаговый процесс разработки приложения. Представлены существующие на данный момент платные и открытые программные средства, применяющиеся для упрощения проблемы подготовки указанного типа расчетной сетки. Исследованы их недостатки, определены актуальность обозначенной проблемы и необходимость создания нового приложения для подготовки параметрических сеток для программной среды OpenFOAM. Сформулирован список задач, стоящих перед авторами для реализации разработки. Изучен принцип работы утилиты программной среды OpenFOAM, отвечающей за генерацию указанного типа расчетной сетки. Определен список необходимых инструментов для разработки программы, в том числе язык программирования логики работы приложения, библиотека, обеспечивающая реализацию элементов интерфейса программы, среда разработки. Указано ПО, необходимое для использования разработанного приложения. Представлены диаграммы, описывающие структуру приложения, алгоритм работы пользователя с приложением. Определены сложности в реализации алгоритма и логики работы программы, предложены пути их решения. Приведены результаты проверки работоспособности приложения на примере одной из учебных задач, входящих в дистрибутив программной среды OpenFOAM. Подведены итоги проведенного исследования, оценена практическая значимость выполненной исследовательской работы и созданного программного приложения, оценены возможные перспективы исследований в данном направлении. Представлен веб-ресурс, на котором в свободном доступе находится разработанное программное приложение для обеспечения возможности тестирования и практического применения пользователями.

◄ ← Предыдущая | 1 | 2 | 3