Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 3 за 2023 год.

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

1. Моделирование быстрого алгоритма квантового поиска на классических компьютерах: информационный анализ проблемы останова [№3 за 2023 год]
Authors: Ulyanov, S.V., Ulyanov, V.S.
Просмотров: 1438
Описана методика модификации моделирования квантового алгоритма, основанная на прямом (большого объема) матричном представлении квантовых операторов. Этот подход стабилен и точен, но требует размещения матриц оператора в памяти компьютера. Поскольку размер операторов растет экспоненциально, подход полезен для моделирования квантовых алгоритмов с относительно небольшим количеством кубитов (например, приблизительно 11 кубитов на типовом компьютере). Используя его, относительно просто смоделировать работу системы контроля качества решения и выполнить анализ достоверности. Более эффективный метод быстрого моделирования контроля качества основан на вычислении всех или части операторных матриц по мере необходимости на текущей вычислительной основе. Используя данный метод, можно избежать сохранения всех или части операторных матриц. В этом случае количество кубитов, которые могут быть смоделированы (например, количество входных кубитов или количество кубитов в регистре состояния системы), влияет на экспоненциальный рост числа операций, необходимых для вычисления результата матричных произведений, и на размер вектора состояния, выделяемого в памяти компьютера. В одном из вариантов применения этого подхода целесообразно моделировать до 19 или более кубитов на типичном настольном компьютере и даже больше на системе с векторной архитектурой. Из-за особенностей процессов адресации памяти и доступа к ней в типичном настольном компьютере (например, персональный компьютер на базе Pentium), когда количество кубитов относительно невелико, подход «вычисления по требованию», как правило, эффективнее, чем подход с прямым хранением. Подход «вычисления по требованию» выигрывает благодаря применению результатов детального изучения квантовых операторов и их структуры, что позволяет более эффективно вычислять матричные элементы. В работе рассмотрено эффективное моделирование алгоритма квантового поиска Гровера на примере компьютера с классической архитектурой.

2. Разработка протокола передачи данных на основе комбинированного алгоритма их шифрования [№3 за 2023 год]
Авторы: Бакаева О.А., Барабошкин Д.А.
Просмотров: 869
Передача информации с технической точки зрения невозможна без используемых в них протоколов передачи данных. Одним из основных требований, предъявляемых к протоколам такого рода, является защита данных. Самый надежный метод, обеспечивающий защиту передаваемой информации по различным каналам связи, – шифрование данных. В статье проанализированы стандартные алгоритмы шифрования: AES, RSA, протокол Диффи–Хеллмана и функция хеширования данных SHA256. Выявлены их некоторые особенности, не позволяющие в полном объеме обеспечить максимальную защиту данных при передаче. Поэтому комбинированный алгоритм шифрования данных, суть которого в применении существующих алгоритмов на разных этапах шифрования, позволит избежать проблем, возникающих при использовании одного алгоритма. Предметом данного исследования является функционирование стандартных алгоритмов шифрования: AES, RSA, протокола Диффи–Хеллмана и функции хеширования данных SHA256. Основной результат работы – протокол передачи данных, созданный на основе комбинированного алгоритма шифрования данных. Протокол включает в себя разработку структуры пакета, реализацию процессов ClientResolving и Handshake, а также различные типы структур Payload. В конце осуществляется выбор параметров алгоритмов шифрования Диффи–Хеллмана и AES. Такая последовательность разработки позволила сделать протокол передачи данных универсальным и эффективным. В статье продемонстрирована работа протокола, включающая два этапа: установка соединения и непосредственно передача данных. Практическая значимость исследования заключается в том, что созданный протокол поможет обеспечить полноту, конфиденциальность и безопасность передачи данных любого типа – текст, графика, аудиофайл.

3. Контроль подключений USB-устройств в локальной вычислительной сети компьютеров под управлением Astra Linux SE [№3 за 2023 год]
Авторы: Баранов А.В., Корепанов П.М., Лепешев И.А.
Просмотров: 1853
Рост требований к информационной безопасности, а также тенденция к импортозамещению в области системного ПО обусловили широкое распространение инфраструктурных решений, построенных на базе отечественной операционной системы Astra Linux Special Edition (Astra Linux SE). Применение Astra Linux SE позволяет строить защищенные программно-аппаратные системы для обработки информации ограниченного доступа, в том числе в научных суперкомпьютерных центрах. При этом одним из важнейших аспектов обеспечения информационной безопасности является контроль подключения USB-устройств к компьютерам в локальной вычислительной сети. Анализ доступных современных источников показывает, что готовых комплексных решений, работающих в среде Astra Linux SE, в настоящее время не существует. В статье рассмотрен возможный технологический стек подобного решения, включающий, помимо Astra Linux SE, систему организации очередей сообщений RabbitMQ, микрофреймворк для разработки web-приложений Flask, СУБД PostgreSQL, а также средство выявления подключений USB-устройств USBRip. Рассмотрена предложенная на базе технологического стека модульная структура программной системы аудита подключений USB-устройств, включающая модули сбора информации о USB-подключениях на контролируемых компьютерах, модуль агрегации собранной информации на серверной стороне и модуль проверки легитимности выявленных подключений USB-устройств к контролируемым компьютерам под управлением Astra Linux SE. Предложенные структура и технологический стек реализованы в виде макета программной системы, получившей название ALUMNUS. Макет был развернут и прошел опытную эксплуатацию в защищенном сегменте суперкомпьютера МВС-10П ОП, установленном в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН.

4. Метод деформации функционально заданных объектов с применением графических процессоров [№3 за 2023 год]
Авторы: Вяткин С.И., Долговесов Б.С.
Просмотров: 1492
В статье рассмотрен метод моделирования деформации эластичных функционально заданных объектов. Деформация и анимация трехмерных объектов являются важными функциями, но требуют большого числа вычислений. Моделирование эластичных динамических объектов применяется в приложениях компьютерной графики, биомеханики и робототехники. Целью является разработка метода моделирования деформации эластичных объектов на графическом процессоре. Предметом исследования стали методы Чебышева и Якоби и их использование в проективной динамике. Теоретическая значимость разработки заключается в комбинировании данных методов для решения задач деформации и анимации поверхностей, где проблемой является большое число вычислений. Проективная динамика может быть эффективно ускорена с применением метода Чебышева. Практическая значимость состоит в реализации метода на графическом процессоре. Комбинация метода Чебышева и метода Якоби для проективной динамики оптимально реализуется на графическом процессоре, поскольку вычисления хорошо распараллеливаются. В результате получаем простую реализацию, которая не нуждается в дополнительных библиотеках для решения этой проблемы и имеет небольшую память. Метод не требует повторной факторизации матрицы при каждом изменении системы, используемой при прямом вычислении, но необходимы большие вычислительные затраты. При тестировании предлагаемого метода использованы патчи свободных форм на основе сеток базовых треугольников. Тестирование показывает, что такой подход ускоряет проективную динамику примерно на один порядок, когда на глобальном этапе используется решение Якоби.

5. Исследование свойств конкурентного двоичного дерева [№3 за 2023 год]
Авторы: Грачев В.Г., Ушаков А.С.
Просмотров: 1175
В разрабатываемом программном обеспечении навигационных тренажеров «Система моделирования морских операций» реализована технология автоматического построения трехмерной модели глобального рельефа на базе алгоритма рекурсивного деления с локально адаптивным управлением детализацией. Алгоритм реализован полностью на графическом адаптере (GPU) и использует возможности массированной параллельной обработки данных в вычислительных шейдерах. Алгоритм рекурсивного деления строится на использовании двоичного дерева, однако классические двоичные деревья, явно описанные с использованием указателей, неприменимы для GPU-реализаций из-за архитектурных особенностей. Для обеспечения возможности параллельного выполнения алгоритма применена специализированная параллельная структура данных – конкурентное двоичное дерево. В статье описаны предпосылки к созданию структуры конкурентного двоичного дерева и рассматриваются этапы его построения от использования неявного двоичного дерева до представления в виде бинарного поля с последующим дополнением его редуцированной суммой листовых узлов. Теоретически обоснован объем оперативной памяти, необходимый для размещения конкурентного двоичного дерева заданной глубины. Выполнен анализ алгоритмической сложности построения конкурентного двоичного дерева и итерации по его листовым узлам. Приведены и проанализированы результаты сравнительных синтетических тестов производительности конкурентного двоичного дерева, выполненные на CPU и GPU, а также результаты его практического применения в системе моделирования морских операций.

6. Система назначения персонифицированного лечения по аналогии на основе гибридного способа извлечения прецедентов [№3 за 2023 год]
Авторы: Грибова В.В., Ковалев Р.И., Окунь Д.Б.
Просмотров: 1376
В работе описывается система назначения персонифицированного лечения на основе прецедентов. Ее уникальной особенностью является извлечение прецедентов на основе гибридного метода, сочетающего извлечение прецедента на основе знаний с классическим способом K-ближайших соседей. Новизна предлагаемого подхода заключается в обеспечении максимальной гибкости и корректности в оценке сходимости прецедентов. В работе описаны информационные и программные компоненты системы. Используемая база знаний, как и все информационные ресурсы, строится по своим онтологиям, четко задающим их структуру и семантику. Это позволяет оперативно вносить изменения без привлечения программистов и переработки всей системы. Система реализована на основе мультиагентного подхода. На первом этапе с помощью базы знаний производятся предварительный расчет и приведение всех признаков к единой метрике, на втором – непосредственный расчет сходимости методом K-ближайших соседей. Сходимость историй болезни определяется совокупно по каждому признаку. На практике система позволяет максимально гибко и точно оценивать похожесть историй болезни, содержащих разнородные по типу признаки. Предлагаемое решение особенно эффективно в условиях дефицита медицинских знаний и данных, когда системы иного типа, в частности, основанные на знаниях, не могут предложить корректное решение.

7. Архитектура системы поддержки принятия решений в процессе мониторинга технического состояния критического оборудования [№3 за 2023 год]
Авторы: Емельянов В.А., Черный С.Г., Емельянова Н.Ю.
Просмотров: 1425
В работе решается прикладная задача совершенствования существующей системы диагностики критического футерованного оборудования без его вывода из эксплуатации. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения уровня автоматизации и объективности принятия решений при эксплуатации этого оборудования для предотвращения аварийных ситуаций на производстве. Целью являются проектирование архитектуры и разработка системы поддержки принятия решений в процессе мониторинга технического состояния критического футерованного оборудования. Для высокоуровневого проектирования архитектуры данной системы использован язык моделирования архитектуры ArchiMate. Для проектирования статической структуры системы в виде основных сущностей, реализующих функционал системы по поддержке принятия решений о допустимости использования критического футерованного оборудования, применены объектно-ориентированный подход (включая объектно-ориентированный анализ, объектно-ориентированное проектирование и программирование) и унифицированный язык моделирования UML. В ходе работы построена модель верхнеуровневой архитектуры системы поддержки принятия решений при мониторинге технического состояния критического футерованного оборудования. Выполнен анализ функционала, проведено объектно-ориентированное проектирование статической структуры системы поддержки принятия решений. Разработано ПО системы поддержки принятия решений в процессе мониторинга технического состояния критического футерованного оборудования, позволяющее генерировать рекомендации относительно режимов его эксплуатации и осуществлять профилактическую диагностику данного оборудования. Разработанное ПО протестировано в условиях металлургического производства в технологическом процессе диагностики передвижных миксеров ПМ350 на Алчевском металлургическом комбинате.

8. Компенсация разных типов неопределенностей при управлении  техническим объектом с помощью интеллектуальных регуляторов [№3 за 2023 год]
Автор: Игнатьев В.В.
Просмотров: 1576
В статье приводятся результаты исследований по разработке гибридных интеллектуальных регуляторов, позволяющих обеспечить эффективность управления техническим объектом, в том числе функционирующим в условиях неопределенности. Рассмотрены вопросы компенсации разных типов неопределенностей при управлении техническим объектом с применением интеллектуальных регуляторов. Дана обобщенная классификация неопределенностей и предложена новая с определением тех ее видов, компенсация которых достигается с помощью разработанных методов и алгоритмов. Такими видами неопределенностей являются параметрическая неопределенность, неопределенности, вызванные внешними воздействиями, лингвистическая неопределенность. Отдельно вы-делена лингвистическая неопределенность, приведены способы ее компенсации, основанные на подходе управления, который базируется на сочетании классической теории управления, нечеткой логики, нейросетевых технологий и генетических алгоритмов. В рамках демонстрации подхода в общем виде описан весь процесс получения желаемого управления для технического объекта, в том числе функционирующего в условиях неопределенности. Представ-лены результаты работы созданных методов управления техническими объектами с применением интеллектуальных регуляторов на основе самоорганизации баз знаний. Основу методов составляет алгоритм самоорганизации робастных баз знаний без привлечения эксперта с автоматизацией процесса генерации управляющих правил. Реализация алгоритма в моделях управления способствует получению желаемого управления для технических объектов, включая функционирующие в условиях неопределенности, представленных линейными или нелинейными математическими моделями первого, второго и третьего порядков, в том числе с запаздыванием. Результаты моделирования подтверждают, что применение подхода с гибридным управлением позволяет получать желаемое управление техническим объектом, в том числе функционирующим в условиях неопределенности.

9. Программное обеспечение для автоматизированного обнаружения и оценки разрушений соединительных швов зданий [№3 за 2023 год]
Авторы: Кабанова В.В., Логунова О.С., Наркевич М.Ю., Корниенко В.Д.
Просмотров: 1258
В статье предложен метод обнаружения и оценки разрушений швов зданий, основанный на изменении контраста изображения, адаптивном пороге, алгоритме Хафа и нескольких дополняющих его алгоритмах обработки данных. Для исследования состояния фасадов здания промышленного предприятия осуществлена фото- и видеосъемка с помощью беспилотного летательного аппарата. Полученная коллекция изображений использовалась для отладки работы созданного программного модуля и метода обнаружения швов зданий и разрушений на них. Предложенный метод реализован в программном модуле и позволяет обрабатывать изображения разных размера и яркости пикселей. Предусмотрено применение данного метода с исключенными на изображении областями. В работе рассмотрены текущие способы визуального обследования здания, приведены примеры существующего ПО для контроля состояния объектов. Описан порядок выполнения исследования, представлены схемы работы реализованных в программном модуле процедур по обнаружению швов и их разрушений. Рассмотрены особенности работы метода, предложенного авторами данной статьи. Приведен пример градации текущих и прогнозируемых разрушений швов здания. Группа параметров, используемая в методе, подобрана в ходе исследования, изменение их значений позволяет эксперту корректировать обнаружение швов. Данная разработка позволила оценить состояние исследуемых зданий и сооружений. Приведены примеры изображений с выделенными швами и разрушениями, а также результаты процентных оценок разрушений соединительных швов зданий на изображении. Результаты исследования подтверждают работоспособность программного модуля и необходимость внедрения таких модулей для контроля состояния территорий и зданий предприятия.

10. Разработка алгоритма пропорционального разделения gh-графа для формирования зон влияния объектов в сложных технических системах [№3 за 2023 год]
Автор: Мунтян Е.Р.
Просмотров: 1535
В статье предложено одно из возможных решений задачи формирования зон влияния объектов в сложных технических системах. В качестве примера рассматривается система охраны протяженного периметра, исследуется взаимодействие ее объектов (элементов) – мобильных или стационарных объектов охраны, квадрокоптеров, лиц, принимающих решение, возможных потенциальных нарушителей периметра. Причем квадрокоптеры обладают различными техническими характеристиками, в частности, радиусами обзора видеокамер. Для моделирования процесса взаимодействия объектов системы охраны применяется модель на основе нечеткого графа с разнотипными вершинами и множественными и разнотипными связями (GH-графа). В качестве множественных в GH-графе используются связи в виде вектора, объединяющие несколько разнотипных связей в одну. Такая модель позволяет задать все необходимые отношения между элементами системы и при этом обладает преимуществом во времени вычисления расстояний по сравнению с графами, использующими только однотипные и разнотипные связи. Для решения поставленной задачи предлагаются алгоритмические средства моделирования GH-графа, в том числе алгоритм пропорционального разделения графа и средства вычисления его метрик. В работе определена операция разделения GH-графа, сформулированы критерии разделения – пропорциональность подграфов по за-данному параметру и возможность пересечения подграфов. Выполнен синтез алгоритма пропорционального раз-деления GH-графа в соответствии с данными критериями, результаты работы которого показаны на примере рас-смотренной графовой модели. Использование предложенного алгоритма для разделения графа на пропорциональные подмножества и средств вычисления метрических характеристик полученных подграфов позволяет определить зоны влияния объектов системы в соответствии с их техническими параметрами. Рассмотрены возможности программной реализации предложенного алгоритма.

| 1 | 2 | Следующая → ►