Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 2 за 2023 год.

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

1. Абсолютная устойчивость явных разностных схем для уравнения теплопроводности при регуляризации по Фурье–Тихонову [№2 за 2023 год]
Автор: Бахмутский М.Л.
Просмотров: 1411
В статье рассматривается возможность построения простой и абсолютно устойчивой явной разностной схемы для уравнения теплопроводности. Явные схемы для уравнения теплопроводности были фактически вытеснены из практики программирования абсолютно устойчивыми неявными схемами. Однако неявные схемы плохо распараллеливаются, поэтому программы для решения задач теплопроводности, диффузии, подземной гидродинамики и т.п. на громадных пространственных сетках с использованием многопроцессорных вычислительных систем требуют использования явных разностных схем. Это особенно справедливо для многопроцессорных систем терафлопной и выше производительности, объединяющих сотни процессоров. При этом явные схемы должны быть абсолютно устойчивыми или, по крайней мере, их условие устойчивости должно быть не жестче такого же для гиперболических уравнений. В работе предложены модификации явных разностных схем, аппроксимирующих параболическое уравнение и обладающих свойством абсолютной счетной устойчивости. Счетная устойчивость решения, получаемого на каждом временном шаге классической явной схемой, достигается быстрым преобразованием Фурье и последующим синтезом Фурье с регуляризацией по А.Н. Тихонову. При вычислении прямого и обратного преобразований Фурье использован алгоритм Кули–Тьюки быстрого преобразования Фурье. Приведены результаты сопоставления численных расчетов модельных задач с аналитическими решениями. Абсолютная устойчивость предлагаемых явных схем для уравнения теплопроводности позволяет широко использовать их для параллельных вычислений.

2. Информационно-программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований живучести объектов добычи газа [№2 за 2023 год]
Автор: Валеев А.Ф.
Просмотров: 1008
Работа посвящена автоматизации информационных процессов научных исследований живучести объектов добычи газа в условиях обводнения скважин. Предложена структура автоматизированной системы научных исследований живучести объектов добычи газа, которая включает математический аппарат для моделирования объектов «пласт–скважина», процессов обводнения и средств обеспечения живучести – различных технологий борьбы с обводнением. Существующее на рынке прикладное ПО для выполнения гидродинамического моделирования или гидравлических расчетов не позволяет исследовать живучесть объектов добычи газа, поэтому разработано новое информационное и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований. Оно дает возможность оценивать показатели живучести объектов добычи газа в условиях обводнения и помогает специалисту принимать решения по ее повышению за счет применения технологий борьбы с обводнением на скважинах. Компоненты автоматизированной системы создавались на основе системного анализа, теории гидравлики и нефтегазовой механики, методов объектно-ориентированного программирования, статистического анализа, теорий графов, моделирования и управления, метода узлового анализа и др. В результате прогностического моделирования рассчитывается коэффициент живучести объектов добычи газа с учетом свойств результативности, ресурсоемкости при использовании средств обеспечения живучести. На основе заданного критерия ПО системы предлагает наилучшую технологию борьбы с обводнением объекта добычи газа.

3. Использование языковых моделей T5 для задачи упрощения текста [№2 за 2023 год]
Авторы: Васильев Д.Д., Пятаева А.В.
Просмотров: 1595
Проблема читаемости текста на естественном русском языке актуальна для людей с различными когнитивными нарушениями и для тех, кто слабо владеет языковыми знаниями, например, трудовых мигрантов и детей. Повышение доступности текстов (инструкций, указаний, рекомендаций) для указанных категорий граждан возможно путем использования автоматизированного алгоритма симплификации текста. В данном исследовании в качестве автоматизированного алгоритма симплификации используются глубокие нейронные архитектуры – трансформеры. В работе были применены следующие языковые модели: ruT5-base-absum, ruT5-base-paraphraser, ruT5_base_sum_gazeta, ruT5-base. Экспериментальные исследования проведены с использованием двух наборов данных – Института филологии и языковой коммуникации и из открытого репозитория Github. Для оценки моделей использован набор метрик: BLEU, индекс удобочитаемости Флеша, автоматический индекс удобочитаемости и разница длин предложений. С помощью тестового набора данных из перечисленных метрик извлекались статиcтические показатели, на основе которых сравнивались алгоритмы с различными параметрами обучения. Было проведено несколько экспериментов с указанными моделями, в которых использовались разные значения параметра скорости обучения для каждого набора данных, размеры батча, а также исключение из обучения дополни-тельного набора данных. Несмотря на различные показатели метрик при ручном сравнении выходы моделей слабо отличались друг от друга. Результаты экспериментальных исследований показали необходимость увеличения набора данных для обучения моделей, а также изменения параметров обучения моделей или использования других алгоритмов. Данное исследование является первым шагом к созданию системы поддержки принятия решений для автоматического упрощения текста и требует дальнейшего развития.

4. Алгоритм и программная реализация синтеза модели объекта испытаний на основе решения уравнения непараметрической идентификации [№2 за 2023 год]
Авторы: Гусеница Я.Н., Мингачев Э.Р., Исхаков Н.У., Колоколов М.И.
Просмотров: 1057
Настоящая работа посвящена развитию теории испытаний в целом и опытно-теоретического метода в частности. Авторами разработан алгоритм синтеза модели объекта испытаний, основанный на решении уравнения непараметрической идентификации динамической системы с использованием гипердельтной аппроксимации и преобразования Лапласа. В отличие от существующих данный алгоритм применим для входных и выходных сигналов произвольной формы и физических величин. Кроме того, он не требует больших вычислительных ресурсов. Алгоритм позволяет формализовать многомерную зависимость между факторами и тактико-техническими характеристиками объекта испытаний. С помощью языков программирования C++ и Python реализованы математическая библиотека идентификации модели объекта испытаний и приложение с графическим пользовательским интерфейсом для автоматизации расчетов. Представленное программное решение выполнено по аналогии с классическими моделями машинного обучения. Для обоснования возможности применения разработанного алгоритма проведен вычислительный эксперимент на различных типах входных и выходных сигналов (периодических, непериодических и случайных) с разной точностью гипердельтной аппроксимации. По результатам вычислительного эксперимента получены рекомендации по использованию алгоритма, в частности, при высоких амплитудах выходного сигнала следует увеличить количество начальных моментов гипердельтной апроксимации.

5. Оптимальное управление нелинейными системами по квадратичному критерию с ограничениями на управляющие воздействия [№2 за 2023 год]
Авторы: Емельянова И.И., Пчелинцев А.Н.
Просмотров: 1284
В статье предложен метод построения оптимального управления одним классом нелинейных систем по квадратичному критерию с классическим ограничением типа неравенства на управляющее воздействие. Данный метод является дальнейшим развитием метода последовательных приближений. Модификация указанного метода позволила установить существование оптимального управления рассматриваемой задачи и синтезировать собственно оптимальное управление. Ключевым для построения оптимального управления является вопрос о сходимости метода последовательных приближений. В статье приведены условия сходимости этого метода, которые являются предельно простыми и естественными. Кроме того, предложенная схема приводит к вычислительной процедуре, предполагающей построение последовательности решений двухточечных краевых задач. Это, как известно, создает некоторые вычислительные трудности. Избежать их позволяет приведенная в работе модифицированная схема, которая дает управление, близкое к оптимальному. Показано, что разработанная схема сводит исходную задачу к последовательности не зависящих друг от друга задач Коши, решение которых легко получить простейшими методами численного анализа. Описаны условия сходимости модифицированной схемы. Для иллюстрации предложенного метода приводятся результаты вычислительного эксперимента по построению оптимального управления для управляемой системы, характеризуемой уравнением Ван дер Поля. Оказалось, что в данном случае именно модифицированная схема дает оптимальное управление.

6. Агрегация и анализ сведений логистических компаний для построения сложного маршрута перевозки груза [№2 за 2023 год]
Авторы: Есин М.С., Корепанова А.А., Сабреков А.А.
Просмотров: 940
Работа посвящена оптимизации построения маршрутов перевозки в сфере логистики грузов. Существуют случаи, когда перевозка груза между двумя городами одной транспортной компанией оказывается дороже, чем перевозка разными компаниями с перевалкой груза в промежуточных точках. В информации о таких сложных маршрутах за-интересованы как транспортные компании, которые могут найти пути удешевления маршрутов, так и простые пользователи, ищущие варианты более дешевой доставки груза. Предмет данного исследования – автоматизация построения наиболее выгодного сложного маршрута перевозки груза, исполняемого несколькими автомобильными и железнодорожными перевозчиками и проходящего через промежуточные пункты, в которых осуществляется перевалка (передача груза). Отличительной особенностью метода исследования является то, что он основан на анализе данных с сайтов калькуляторов компаний-перевозчиков, из которых информация о стоимости перевозки извлекается в процессе запроса динамически, и на эвристических подходах к построению сложного маршрута. Были сформулированы критерии для выбора потенциальных точек перевалки и их числа. Предложенный подход к оценке стоимости маршрута протестирован на открытых данных 40 логистических компаний, 9 кон-фигурациях груза и маршрутах между 171 городом. В результате предложена и протестирована новая процедура поиска сложного маршрута перевозки груза и разработан программный модуль. Тестирование показало эффективность процедуры: с помощью предложенных эвристик в 10 % случаев возможно построить сложный маршрут между городами, стоимость которого будет существенно меньше простого. Теоретическая значимость работы заключается в создании новой процедуры для решения задачи построения сложного маршрута по перевозке груза, практическая – в реализации нового модуля, который будет внедрен в действующий логистический сервис Cargotime.ru.

7. Сравнительный анализ методов построения математических моделей функционирования объекта с применением машинного обучения [№2 за 2023 год]
Авторы: Ковальногов В.Н., Шеркунов В.В., Хуссейн Мохамед, Клячкин В.Н.
Просмотров: 1435
Предметом данного исследования является технический объект, работа которого определяется множеством факторов, а качество функционирования характеризуется некоторым показателем. Требуется построить математическую модель, связывающую этот показатель со значениями факторов. В качестве примера исследуется влияние различных факторов на эффективность работы горелочных устройств (нагрузки, расхода воздуха, метана и биогаза, составов топлива и окислителя и других). Эффективность (качество функционирования) горелочного устройства оценивается по температуре дымовых газов. Задача решается методами машинного обучения, поскольку классические методы регрессионного анализа показали недостаточную точность. В настоящей статье исследуется эффективность метода опорных векторов, случайного леса и бустинга деревьев решений. Для численных расчетов использована локализованная версия 13.3 системы Statistica. Все три подхода машинного обучения показали существенное повышение точности модели на тестовой выборке. Наилучшие результаты в рассматриваемом примере дал метод бустинга деревьев решений. Рекомендуемая технология построения модели, обеспечивающая необходимую точность прогнозирования, сводится вначале к апробации классического регрессионного анализа (если полученная модель обеспечит необходимую точность, то она предпочтительна с точки зрения ее интерпретируемости). При недостаточной точности используются три рассмотренных метода машинного обучения, вместе с тем важен подбор параметров каждого из них, который, с одной стороны, обеспечивал бы необходимую точность, а с другой – не приводил бы к переобучению модели. Полученная модель может быть использована для оценки влияния различных факторов на эффективность работы технического объекта, а также для прогнозирования качества его функционирования, в частности, температуры дымовых газов.

8. Разработка механизма самосборки программ на основе сокетов [№2 за 2023 год]
Автор: Кольчугина Е.А.
Просмотров: 1135
Предметом исследования являются методы и алгоритмы спонтанной самосборки и самоорганизации программных систем. Среди моделей искусственной химии известны методы, допускающие самоформирование программ. Но эти методы очень специфичны и проблематичны в случае интеграции с обычными, широко распространенными и хорошо известными инструментами императивного программирования. Следовательно, необходимы другие виды инструментов, позволяющие динамически устанавливать отношения между программами или процессами. Разработанный автором данной статьи метод основан на использовании сокетов Internet, соединяющих программные единицы различных типов. Одни из этих единиц являются серверами, другие – клиентами, а третьи относятся к гибридному типу, сочетающему функции и клиента, и сервера. Программные единицы обычно рассматриваются как искусственные атомы, вступающие в реакцию друг с другом и образующие сложные вещества (то есть программы различной структуры). В данной работе предлагаются алгоритмы реализации таких программных единиц. Эти алгоритмы позволяют создавать коллективы независимых взаимодействующих единиц, способных формировать различные вычислительные конфигурации. Разработанные алгоритмы являются основой для реализации концепции, допускающей спонтанное формирование ПО в соответствии с заданными правилами при заданных условиях. В ходе экспериментов были получены вычислительные структуры, подобные полимерам реального мира и способные прокачивать данные через себя. Полученные результаты необходимы для организации полностью автоматизированного процесса разработки ПО, основанного на моделировании спонтанности. Процесс разработки программы потребует меньшего участия человека и потому станет более эффективным и экономически выгодным.

9. Применение MATLAB при проектировании цифровых фильтров для выделения геомагнитных пульсаций типа Pc5 [№2 за 2023 год]
Автор: Коробейников А.Г.
Просмотров: 1321
В статье рассмотрена процедура проектирования методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации оптимального нерекурсивного полосового цифрового фильтра с конечно-импульсной характеристикой (КИХ-фильтра). Фильтр предназначен для решения задачи выделения геомагнитных пульсаций типа Pc5 из набора показателей измерений геомагнитного поля. Этот тип пульсаций выбран в связи с доступностью 1-секундных данных в широко разнесенной сети геомагнитных наземных обсерваторий, имеющих стандартизированную геофизическую наземную аппаратуру. Данные, обработанные соответствующим образом, можно использовать, например, при детальном анализе свойств возмущений магнитного поля Земли в диапазоне длиннопериодных пульсаций, а также характера взаимодействия волн и частиц в магнитосфере. Результаты анализа можно использовать, в частности, при расчете прогноза космической погоды, что обусловливает актуальность настоящей работы. Решение задачи выделения пульсаций Pc5 производится путем пропускания исходного набора данных через полосовой КИХ-фильтр, обладающий требуемыми характеристиками, зависящими от диапазона периода пульсаций Pc5, – 150–600 секунд. Отсюда следуют границы полосы пропускания, равные 1.7–6.7 мГц. Выбор нерекурсивного полосового КИХ-фильтра обусловлен возможностью обеспечения линейной фазочастотной характеристики, исключающей фазовые искажения на выходе КИХ-фильтра, а также устойчивостью по определению данного типа фильтров. Первое условие также гарантирует и отсутствие требований к фазочастотной характеристике КИХ-фильтра. Работоспособность полученного цифрового фильтра продемонстрирована на примере обработки реального набора данных измерений состояния геомагнитного поля, полученного с геомагнитной обсерватории Lycksele (Швеция), входящей в международную сеть INTERMAGNET. Проектирование полосового КИХ-фильтра и расчеты проводились в MATLAB R2022b.

10. Программный комплекс для идентификации личности по характеристикам цикла шага [№2 за 2023 год]
Авторы: Леонов С.В., Фомина Е.Е.
Просмотров: 1391
Активное использование систем видеонаблюдения обусловило повышение интереса к методам идентификации индивида по признакам походки. Существенным преимуществом данного способа является то, что проведение экспертиз может быть бесконтактным и удобным с точки зрения сбора материала. В настоящее время активно разрабатываются различные методики идентификации индивида по особенностям походки, однако из-за большого количества условий, влияющих на манеру движения, задача идентификации человека по походке до сих пор не имеет достаточно точного решения, поэтому актуальна разработка новых методов. В статье описывается метод идентификации индивида на кадрах видеосъемки по такому кинематическому показателю, как цикл шага. Сущность его заключается в оцифровке и количественном описании следующих параметров цикла шага: продолжительность периодов двойной опоры и переноса, частота шага и темп ходьбы. Их анализ в автоматическом режиме позволит сделать экспертный вывод о сходстве или различии двух индивидов на видеозаписях. Для реализации предложенного метода разработан программный комплекс для расчета характеристик цикла шага. Он включает в себя модуль ввода первичной информации, модуль для расчета основных характеристик цикла шага и модуль формирования отче-та. Основным преимуществом данной методики и программного комплекса является возможность обработки видеоинформации с различных ракурсов, а также в случае фиксации объекта на удаленном расстоянии. Программный комплекс может быть использован при разработке компьютерной системы гибридной идентификации личности, включающей модули считывания и анализа биометрической информации, модули анализа походки при различных особенностях съемки.

| 1 | 2 | Следующая → ►