Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 4 за 2014 год.

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

1. Адаптивные нечеткие системы по таксономии класса FOREL [№4 за 2014 год]
Authors: V.P. Shchokin, Chernyi, S.G., A.S. Bordug
Просмотров: 11063
Представлены результаты разработки метода нейронечетких структур самоорганизации для интеллектуальных систем управления технологическими процессами. Предлагаемая модификация основного алгоритма может улучшить индекс производительности контроля за интеллектуальными автоматизированными системами управления за счет снижения минимизации расчетов и соответственно увеличение производительности системы. Согласно классическому правилу обучения, нечеткие нейронные сети анализируют правила развития сети, тип функций принадлежности, нечеткого вывода типа алгоритма и т.д., в случае неправильного выбора этих параметров нечетких нейронных сетей процесс может быть неэффективным. Эксплуатация разработанного алгоритма основана на теории частотой дискретизации и распределения обучения квантования. В теории систем управления с дискретным временем определен такт выборки Т, что обусловлено правилом: величина должна превышать максимальную частоту системы. В традиционных адаптивных системах управления параметры регулируются тактом дискретизации, а частота дискретизации и скорость обновления не разделены. Для уменьшения времени работы алгоритма при выполнении параметрического синтеза асимптотически устойчивых интеллектуальных систем управления применены идентифицирующий метод коэффициента концентрации функций принадлежности и границы корректирующих выборок в базе адаптивных правил. Согласно разработанной методике, можно сравнить параметры функции принадлежности, которые были получены в результате работы модифицированного адаптивного алгоритма нечеткой сети Ван–Менделя, и параметры, полученные на основе статистической обработки информационных систем решений идентификации динамического состояния объекта. Использован алгоритм с учетом разработанного метода самоорганизации нейронечетких структур на основе алгоритма FOREL, элемент класса таксономии.

2. Алгоритмы планирования усталостных испытаний авиационных материалов [№4 за 2014 год]
Авторы: Агамиров Л.В., Агамиров В.Л., Вестяк В.А.
Просмотров: 8982
Рассеяние характеристик усталостных свойств конструкционных материалов вызвано объективными факторами, но резерв для решения данной проблемы состоит в разработке и применении в инженерной практике эффективных математических методов анализа экспериментальной информации. В работе рассматривается проблема оптимального планирования усталостных испытаний. Оптимизация такого рода испытаний прежде всего актуальна в связи с их дороговизной в авиационной промышленности, и при определении минимального количества испытаний следует исходить из их целей. Вместе с тем разработанная методика статистического анализа инвариантна к типу испытываемых объектов. Она позволяет повысить точность определения расчетных характеристик долговечности и предела выносливости, существенно сократить объем потребных для достижения заданной точности усталостных испытаний, а значит, снизить их длительность и стоимость. Использование существующих таблиц точных значений квантилей нецентрального распределения, как и математический расчет точных значений квантилей, связано с большой трудоемкостью вычислительных процедур. В работе предложены новые алгоритмы планирования испытаний при оценке квантиля и точного расчета квантиля нецентрального распределения Стьюдента, что позволяет предложить более простые и совершенные программные продукты по скорости вычислений по сравнению с предлагаемыми ранее.

3. Инструментальные средства для оптимизации и планирования производства на базе эволюционных метаэвристик [№4 за 2014 год]
Авторы: Афонин П.В., Маликова А.А., Сашилина К.С.
Просмотров: 13334
В статье представлены инструментальные средства, включающие модуль оптимизации на базе эволюционных метаэвристических алгоритмов, которые предназначены для решения задач из трех предметных областей: для оптимизации раскроя материала с динамическим портфелем заказов, для моделирования и оптимизации складской политики цепей поставок и для автоматизированного построения проектных расписаний. Рассмотрены особенности и методы решения задач оптимизации и планирования производства. Отмечается эффективность применения подхода к разработке модифицированных операторов метаэвристического алгоритма, которые в принципах своей работы учитывают ограничения оптимизационной задачи. Рассматривается класс задач оптимизации, для которых целевую функцию сложно или невозможно представить в строгом аналитическом виде – она рассчитывается с помощью метода имитационного моделирования. Среда оптимизации раскроя включает модуль оптимизации на базе генетического алгоритма в сочетании с алгоритмом укладки деталей (блоков кухонного гарнитура). Задаются размеры блоков и их количество, цвет пленки для оклейки блока, срочность изготовления заказа, желаемый коэффициент использования материала. На выходе системы автоматически формируются карты раскроя. Среда управления запасами поддерживает имитационное моделирование многопродуктовых систем, включая двухэшелонные системы и оптимизацию параметров имитационной модели с помощью алгоритма эволюционной стратегии. Оптимизируемыми пара-метрами являются критические уровни заказа товаров и объемы заказов. Критерий включает издержки хранения, затраты на организацию поставок и штрафы за дефицит товара на складе. Среда для построения проектных расписаний поддерживает оптимизацию на базе генетического алгоритма, включающего набор адаптированных под конкретный класс задач операторов скрещивания и мутации, которые обеспечивают получение решений, удовлетворяющих ограничениям задачи.

4. Разработка программно-алгоритмического средства обработки данных трехфакторного планированного эксперимента для расчета математической модели прочности бетона [№4 за 2014 год]
Авторы: Белов В.В., Образцов И.В., Курятников Ю.Ю.
Просмотров: 7789
В технологии строительных композиционных материалов наряду с субстанционным (изготовление физического образца материала) и структурно-имитационным (имитация взаимодействия структурных элементов системы) моделированием широко применяется функциональное моделирование, результатом которого является получение некой математической функции, описывающей поведение объекта исследования, абстрагируясь от внутренней структуры вещественного субстрата. Авторами разработана программа обработки данных трехфакторного планированного эксперимента B-D13 , позволяющая рассчитывать план и обрабатывать результаты эксперимента. Алгоритм программы включает процедуру расчета коэффициентов функции отклика, статистической обработки и визуализации математической модели. Все основные вычисления производятся циклично, что позволяет моментально перестраивать математическую модель, изменяя входные данные. Кроме того, алгоритм включает вспомогательную процедуру, обеспечивающую проверку синтаксической правильности вводимых данных. При допущении ошибок ввода данных программа корректирует действия пользователя по средствам текстового оповещения. Программа оснащена дополнительными функциями загрузки и сохранения данных, а также функцией экспорта результатов расчетов в математический пакет Microsoft Excel, где пользователь может произвести дополнительные построения. Интерфейс программного продукта реализован в виде логических блоков, позволяющих вводить исходные данные и изменять параметры вывода математической модели в интерактивном режиме. С применением разработанного программного продукта проведен планированный эксперимент по исследованию влияния рецептурных параметров бетонной смеси на свойства наполненного мелкозернистого бетона, получена статистически адекватная математическая модель прочности бетона. Разработанное программное средство можно при-менять в любых научно-прикладных задачах по оптимизации свойств объекта исследования, подбора рецептуры и технологических параметров, где используется математическое моделирование методом ортогонального планирования экспериментов.

5. Об одной методике классификации клеток крови и ее программной реализации [№4 за 2014 год]
Авторы: Беляков В.К., Сухенко Е.П., Захаров А.В., Кольцов П.П., Котович Н.В., Кравченко A.А., Куцаев A.С., Осипов A.С., Кузнецов А.Б.
Просмотров: 15793
Предложена методика классификации лейкоцитов, эритроцитов и тромбоцитов, основанная на всестороннем изучении опыта применения различных методов сегментации микроскопических изображений и алгоритмов вычисления характерных признаков клеток крови. Данный подход предполагает применение усовершенствованного комбинированного метода сегментации изображений, использование оптимизированного вектора признаков объекта и нейросетевого классификатора. Важную роль в создании описываемого метода сегментации сыграла разрабатываемая в НИИСИ РАН методика EDEM сравнительного исследования алгоритмов обработки изображений. Метод сегментации включает в себя такие шаги, как выделение граничных точек, замыкание контуров и устранение пересегментации (основанное на использовании набора признаков, вычисленных для каждого начального сегмента). Для выделения граничных точек используется комбинация классического детектора Кэнни и метода Риттера–Купера, разработанного для сегментации клеток крови. Данная комбинация обладает преимуществами обоих алгоритмов. Для улучшения границ и замыкания контуров применяется подход, основанный на использовании теории графов и развивающий адаптивный алгоритм замыкания контуров Цзяна. Процедура устранения пересегментации носит итерационный характер. Наш метод сегментации пригоден для сегментации как красных (эритроцитов), так и белых (лейкоцитов) клеток крови, а также тромбоцитов. Для решения задачи классификации клеток по набору признаков использовалась нейронная сеть типа многослойный персептрон (трехслойная нейронная сеть прямого распространения с сигмоидной функцией активации). Нейросетевой классификатор позволяет эффективно разделять клетки крови на классы, используемые в практической гематологии. Разработана программная библиотека, реализующая предложенную методику. Тесты, использующие различные изображения мазков крови, показали высокий потенциал предложенной методики для практического применения.

6. Трассировка и самолечение в POSIX-системах [№4 за 2014 год]
Авторы: Бомбин А.А., Галатенко В.А., Костюхин К.А.
Просмотров: 8903
В работе дается определение оригинальной концепции контролируемого выполнения, разработанной авторами статьи, обосновывается важность этой концепции при создании сложных систем. Под контролируемым выполнением понимается специально организованный процесс функционирования аппаратно-программной системы, целью которого является выполнение системой своих задач несмотря на наличие ошибок, атак и отказов. Основными положениями концепции контролируемого выполнения являются интеграция средств информационной безопасности, отладки и управления; распространение контролируемого выполнения на все этапы жизненного цикла системы; целостность набора средств контролируемого выполнения, различающихся по степени воздействия на целевую систему, возможность взаимодействия между этими средствами. Частные случаи контролируемого выполнения: применение средств управления информационными системами, интерактивная отладка, мониторинг систем, самоконтроль систем, воспроизведение предыдущих сеансов работы систем, моделирование, сбор и анализ количественных характеристик функционирования систем, самолечение систем. В контексте контролируемого выполнения авторами предложена методика самолечения POSIX-систем, основанная на использовании механизма трассировки. Дается краткий обзор механизма трассировки, описанного в POSIX-2001, предлагается методика самолечения программных систем, основанная на этом механизме и интегрированная в концепцию контролируемого выполнения. Стандарт POSIX-2001 фиксирует минимальную функциональность средств трассировки, которые должна предоставлять POSIX-совместимая операционная система. Под трассировкой в стандарте POSIX-2001 понимаются по-рождение, накопление и анализ данных о событиях, имевших место при выполнении пользовательского приложения. Работа иллюстрируется небольшим примером, который может быть полезен при практическом применении методики самолечения.

7. Исследование возможностей аппаратного модуля на базе программируемых логических интегральных схем для задач нагрузочного тестирования [№4 за 2014 год]
Автор: Бородин А.А.
Просмотров: 7766
Обеспечение качественного и надежного функционирования информационных систем является исключительно важной задачей. В настоящее время ее решение во многом обеспечивается нагрузочным тестированием, а постоянное развитие данных систем требует повышения его эффективности. Нагрузочное тестирование является сложным и многоплановым процессом, состоящим из множества шагов. Анализ теории и практики показал, что вопросам запуска теста исследователи уделяют недостаточное внимание. Эффективность данной стадии зависит от качества реализации программы нагрузчика и характеристик используемого компьютера. На практике для создания требуемой нагрузки ресурсов одного компьютера не хватает, поэтому существуют методы создания нагрузки на основе распределенных вычислений, которые имеют свои недостатки. Эти методы представлены облачными и кластерными вычислениями, а также объединением совокупности компьютеров посредством локальной сети. В данной статье приведены результаты экспериментов по измерению характеристик аппаратного нагрузчика, который был построен автором на базе программируемых логических интегральных схем с целью повышения эффективности стадии создания нагрузки. Это устройство обеспечивает проведение нагрузочного тестирования без применения дополнительных компьютерных узлов. В рамках данных экспериментов были определены предельные нагрузочные способности созданного прототипа аппаратного нагрузчика. Проведено сравнение полученных результатов с характеристиками существующих компьютерных систем.

8. Система автоматического извлечения информативных признаков для распознавания эмоций человека в речевой коммуникации [№4 за 2014 год]
Авторы: Брестер K.Ю., Семенкин Е.С., Сидоров М.Ю.
Просмотров: 7829
В процессе человеко-машинной коммуникации возникает ряд задач, связанных с обработкой голосовых сигналов. Помимо распознавания речи говорящего, актуальными остаются идентификация личности, пола, возраста пользователя диалоговой системы, а также его эмоционального состояния. При этом число акустических характеристик, которые могут быть извлечены в ходе анализа звуковой записи, достигает сотен или даже тысяч: атрибуты могут коррелировать друг с другом, содержать зашумленные данные или иметь низкий уровень вариации, что снижает точность работы привлекаемых классификаторов. Поэтому важной задачей является автоматический отбор информативных признаков, используемых алгоритмами распознавания. В рамках данной статьи рассматриваются два подхода, основанные на использовании адаптивного многокритериального генетического алгоритма, настройка пара-метров которого осуществляется автоматически в ходе решения задачи. Выбор данной эвристической процедуры для оптимизации критериев качества обусловлен простотой кодирования информативной подсистемы признаков, а также возможностью оптимизации как дискретных, так и непрерывных критериев. Вероятностная нейронная сеть используется в качестве классификационной модели. Исследование эффективности разрабатываемых подходов проводилось на множестве задач распознавания эмоций человека: БД содержали голосовые записи на английском и немецком языках. В ходе тестирования было установлено, что на указанном множестве задач применение описанной процедуры извлечения информативных признаков приводит к повышению точности результатов (относительное улучшение до 22,7 %), получаемых вероятностной нейронной сетью. Кроме того, становится возможным существенное снижение размерности вектора признаков, описывающих голосовой сигнал (в ряде случаев в среднем с 384 до 64,8 атрибута). Предложенные схемы демонстрируют высокую эффективность по сравнению с методом главных компонент. Описываемые процедуры могут быть применены для идентификации личности говорящего, распознавания его пола, возраста и других персональных характеристик, что также является предпосылкой их использования в качестве алгоритмического ядра интеллектуальных модулей диалоговых систем.

9. Метод рир-проекции в подсистеме визуализации тренажерно-обучающей системы [№4 за 2014 год]
Авторы: Гиацинтов А.М., Мамросенко К.А.
Просмотров: 9973
В ряде отраслей (например в авиационно-космической) в настоящее время ощущается нехватка квалифицированных специалистов, способных профессионально управлять сложными техническими системами. Требуются многократное повышение производительности учебных центров, в том числе за счет внедрения новых методик подготовки, и создание более совершенной тренажерной базы. Мультимедийные технологии при построении тренажерно-обучающих систем позволяют создавать банки данных учебных материалов, содержащие изображения, тексты, сопровождающиеся аудио, видео и другими визуальными эффектами; включают в себя интерактивный интерфейс; позволяют эффективно использовать накопленную информацию при организации дистанционного и распределенного обучения. Одним из видов мультимедийной информации, использующейся в тренажерно-обучающих системах, является графический виртуальный образ инструктора. Для его внедрения в единое синтезированное трехмерное окружение создан метод рир-проекции, базирующийся на методе 3D-кеинга. Основной идеей технологии кеинга является выделение объекта от однородного фона. Данный процесс можно описать как процесс создания маски, содержащей информацию о прозрачности изображения и отделяющей объект от остального изображения. Так как любая реализация кеинга ресурсоемка, при обработке изображений большого размера на центральном процессоре трудно достичь работы подсистемы визуализации в реальном масштабе времени. Это требование к под-системе визуализации является одним из базовых, поэтому разработано решение, позволяющее использовать вычислительную мощность графического процессора для реализации кеинга.

10. Алгоритмическое и программное обеспечение расчетов биотехнологических процессов с рециркуляцией субстрата и биомассы [№4 за 2014 год]
Авторы: Гордеева Ю.Л., Щербинин  М.Ю., Гордеев Л.С., Макаров В.В.
Просмотров: 6789
В статье рассматривается способ повышения эффективности для широкой области анаэробных микробиологических процессов путем введения в схему непрерывного культивирования микроорганизмов циркуляции. Совершенствование биотехнологических процессов непрерывного способа функционирования возможно с использованием рециркуляции субстрата и биомассы. Рециркуляция дает возможность увеличить величину протока и продуктивность процесса по целевому компоненту. В то же время рециркуляция вводит дополнительные ограничения на задание исходных данных процесса – начальной концентрации субстрата, величины протока и объемной скорости рециркуляции, которая в алгоритме и программе должна выполняться в соответствии с кинетическими характеристиками. На основании кинетических соотношений разработаны алгоритм и программная реализация для расчета показателей анаэробного биотехнологического процесса с рециркуляцией субстрата и биомассы при условии полного от-деления продукта из потока рециркуляции. Получены соотношения, обеспечивающие возможность практической реализации процесса. Показатель циркуляционного потока DR оценивался по величине продуктивности по целевому продукту QP. Алгоритм расчета включает 21 вариант практической реализации процесса, каждый из которых можно оценить в приведенной блок-схеме. Кроме вычисления показателей процесса, программа содержит справку для пользователя, включающую описание переменных и краткое руководство по работе с программой. Приведены численные результаты расчетов для различных вариантов начальных заданий технологических показателей, на основании которых можно сделать вывод, что введение циркуляции обеспечивает повышение продуктивности по целевому продукту QP (по сравнению с аналогичной схемой и входными параметрами без рециркуляции потока). Отличительной особенностью представленного подхода является многогранность прогнозируемого процесса, позволяющая без проведения эксперимента, с помощью готового программного продукта оценить положительный эффект включения в схему рециркуляции. Полученные соотношения и программная реализация расчетов могут служить как рабочим инструментом для проектирования процесса, так и основанием для дальнейших разработок в этой области, в частности, для оценки нестационарных режимов и устойчивости стационарных состояний.

| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Следующая → ►