Архив рубрики: Технические системы

АППРОКСИМАЦИЯ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА СЕТИ И МЕТОД МОМЕНТОВ


УДК 517.927
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.040

О.Р. Балабан


В работе рассматриваются эволюционные задачи, лежащие в основе математического описания колебательных и гидродинамических процессов в сетеподобных объектах (волноводах, гидросетях и пр.). Основное внимание уделяется анализу свойств эллиптического оператора (одномерного оператора Лапласа) с распределенными параметрами на сети, устанавливающих спектральную полноту системы собственных функций в классе функций, интегрируемых с квадратом. Получены условия, гарантирующие устойчивость по Нейману (спектральную устойчивость) разностных схем для эволюционных задач, представлено решение задачи управления методом моментов. Методы исследования эволюционных задач базирутся на свойствах положительно определенного эллиптического оператора: система собственнх функций образует базис в пространстве функций суммируемых с квадратом; ряды по системе собственных функций допускают априорные оценки решений эволюционной задачи; аппроксимация эллиптического оператора редуцирует его к конечномерному оператору в конечномерном пространстве сеточных функций с естественной евклидовой нормой, который (конечномерный оператор) приближает исходный с любой наперед заданной точностью в смысле нормы пространства функций суммируемых с квадратом. Для эволюционных задач используется явная схема первого порядка аппроксимации на сетке графа (параболическая система) и явная схема второго порядка аппроксимации (гиперболическая система). Устанавливаются осцилляционные свойства полученных операторов, аналогичные классическим осцилляционным свойствам. Для разностных схем параболической и гиперболической систем уравнений получены условия, гарантирующие счетную спектральную устойчивость (устойчивость в смысле Неймана), а следовательно, возможность получения аналогов теоремы А.Ф. Филиппова о сходимости разностных схем в терминах шагов аппроксимации сетки графа. Для иллюстрации применимости используемого подхода рассмотрена задача управления – перевод эволюционных систем параболического и гиперболического типов из заданных начальных в заданные финальные состояния; получены условия, гарантирущие управляемость исследуемых систем

Ключевые слова: оператор Лапласа на графе, эволюционные задачи, аппроксимация, устойчивость, сходимость, метод моментов.

Полный текст статьи:
Balaban_3_19_1.pdf

ОПТИМИЗАЦИЯ «ПОСЛЕДНИХ МИЛЬ» ДО УДАЛЕННЫХ УЗЛОВ ДОСТУПА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ LCAS


УДК 004.725.4
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.039

Е. С. Маклаков, А.А. Гуламов


В статье рассматривается проблема построения и дальнейшей эксплуатации последних миль ведомственных сетей связи до точки присутствия операторов связи, а также вариант оптимизации оптических ведомственных сетей до удалённых узлов доступа в точке присутствия операторов связи. Описывается структурное расположение элементов сети. Обозначены основные применяемые топологии сетей доступа. Описана топология «кольцо». Рассматривается применение технологии LCAS с целью повышения пропускной способности отдельных каналов связи, сформированных в сети SDH. Проведен анализ работоспособности ведомственных сетей связи с применением технологии LCAS и без неё. Обозначены требования по организации каналов связи ведомственных сетей в электроэнергетике по типам каналов и по скоростям передачи. Описана технология организации сети SDH структура кадров и типы контейнеров, используемых для транспорта трафика в оптических сетях. Подробно описан принцип работы технологии LCAS в оптических сетях на примере организации кросс-коннектов VC контейнеров SDH. Определен ряд преимуществ использования данного метода оптимизации последних миль ведомственных сетей до точки присутствия операторов связи, которые в свою очередь подтверждены экспериментальным методом.

Ключевые слова: узел доступа, последние мили, транспортная сеть, синхронная цифровая иерархия, передача данных.

Полный текст статьи:
MaklakovGulamov _3_19_1.pdf

АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB


УДК 519.876.2
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.037

Ю.В. Бебихов , А.С. Семёнов , М.Н. Семёнова, И.А. Якушев


Рассмотрен пакет программ MatLab с точки зрения универсальной среды моделирования технических систем. Произведен анализ методов математического, структурного и физического моделирования в MatLab при помощи библиотеки блоков Simulink и приложения SimPowerSystems. Для исследования выбрана электромеханическая система – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, как одна из самых распространенных для приведения в движение технологических установок циклического действия. При помощи лабораторной установки разработана имитационная модель, позволяющая произвести оценку, анализ и сравнение результатов, полученных при моделировании, с реальными данными. Для проведения моделирования были рассчитаны дополнительные параметры двигателя постоянного тока, к которым относятся активные сопротивления и индуктивности обмоток якоря и возбуждения, взаимоиндукция, момент инерции, конструктивные и временные постоянные двигателя. Разработаны физическая, структурная и математическая модели. Получены результаты моделирования в виде графиков временных зависимостей основных параметров двигателя. Был произведен детальный анализ угловой скорости вращения двигателя постоянного тока, так как она является основной координатой для регулирования. Оценке подлежали качественные и количественные характеристики переходного процесса, такие как время регулирования, величина перерегулирования, количество колебаний. В ходе оценки и анализа результатов моделирования были установлены преимущества и недостатки различных методов моделирования технических систем в пакете программ MatLab. Сделаны заключения об универсальности среды MatLab для возможностей детальной и точной оценке сложных технических систем.

Ключевые слова: моделирование технических систем, MatLab, Simulink, двигатель постоянного тока, угловая скорость вращения, переходной процесс, погрешность.

Полный текст статьи:
BebihovSoavtori_3_19_1.pdf

ПОСТРОЕНИЕ РЕШАЮЩИХ ПРАВИЛ С ПОМОЩЬЮ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ARTMAP


УДК 004.032.26
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.029

И.Л. Каширина, К.А. Федутинов


В статье рассматривается нейросетевая архитектура ARTMAP, совместимая с символическим представлением, основанным на IF- THEN правилах. В частности, знания, полученные в процессе обучения сети ARTMAP, могут быть трансформированы в компактный набор решающих правил для классификации исходных данных, которые могут быть проанализированы экспертами предметной области, по аналогии с интерпретируемыми методами машинного обучения, такими, как деревья решений или линейная регрессия. Аналогичным образом, знания в априорной области, представленные в форме правил IF- THEN могут быть преобразованы в нейросетевую архитектуру ARTMAP. Наличие предварительного набора правил, используемых при инициализации сети, повышает точность классификации и эффективность обучения. Исходный набор правил может быть дополнен с помощью алгоритма обучения ARTMAP. Каждое правило, сформированное в процессе обучения сети имеет коэффициент достоверности, который можно интерпретировать как его важность или полезность. Описание архитектуры, алгоритмов обучения и функционирования сети ARTMAP для извлечения правил представлено в терминах предложенной авторами ранее обобщенной модели сетей семейства АRT.

Ключевые слова: нейронная сеть, машинное обучение, теория адаптивного резонанса, ARTMAP, извлечение правил.

Полный текст статьи:
KashirinaFedutinov_3_19_1.pdf

ОРГАНИЗАЦИЯ ИНДЕКСА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩЕЙ ПО АЛГОРИТМУ КОНСЕНСУСА *BFT


УДК 004.421.2
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.017

В.А. Музыченко


Актуальность исследования обусловлена высоким влиянием ценовой В рамках данной статьи рассматривается алгоритм построения поискового индекса распределенной поисковой системы, применяющей алгоритм консенсуса семейства *BFT (Byzantine Fault Tolerance), а также его реорганизация, вызванной добавлением или выходом узлов из состава поискового кластера. В статье детально описывается структура кластера, добавление данных в индекс, алгоритм реорганизации, а также рассматриваются возможные сопутствующие проблемы, описываются их решения. Вместе с тем рассматриваются ограничения, накладываемые как самой природой распределенных вычислений, так и необходимостью соответствию требованиям BFT. Актуальность задачи обуславливается возрастающей необходимостью применения распределенных систем для решения разнородных практических задач, в том числе и организации поиска, а также необходимостью адаптации существующих решений к условиям распределенных систем и учета накладываемых ими ограничений, что подтверждается как существованием активных исследований в данной области, так и сложившейся на рынке ситуацией. Методы и подходы, применяемые в данной работе, с некоторой модификацией, могут быть перенесены на схожие задачи, возникающие в распределенных системах других типов. Результаты и материалы статьи могут быть использованы для решения прикладных задач при реализации распределенных вычислительных систем, распределенных поисковых систем, распределенных систем хранения данных.

Ключевые слова: поиск, распределенные системы, алгоритмы консенсуса, BFT, балансировка нагрузки.

Полный текст статьи:
Muzychenko_3_19_1.pdf

МЕТОД ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ МОНТАЖНО-КОММУНИКАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕВЫХ ПОТОКОВ


УДК 004.021
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.007

А.Н. Байчорова, Л.М. Эльканова


Развитие научно-технического прогресса приводит к стремительному увеличению размерности различных сетей, инфотелекоммуникационных, электрических, сети маршрутов и т.д., что приводит к накоплению очень большого объема как структурированных, так и неструктурированных данных (Big data), которые требуют анализа и обработки. В работе рассмотрен метод моделировании оптимальной декомпозиции монтажно-коммутационного пространства инструментами теории предфрактальных графов. В отличии от всех известных методов в данном подходе совместного решения задач размещения и трассировки магистраль (канал) представляет собой часть плоскости (пластины). Предложен способ рекурсивного деления монтажно-коммутационного пространства с созданием активно-пассивной графовой модели. Важную роль в монтажно-коммутационной декомпозиции играют «стенки» между пространственными фрагментами, а также расположение на стенках транзитных точек, разрешающих проведение через них связей (проводников). Появляется возможность более гибкого распределения ресурса «стенок», определяются потоки связей через пропускные способности «стенок», при этом проводники не фиксируются на «стенках», зато используют понятие «пучков», «связок», «потоков» связей и математический аппарат потоков в сетях, графовых или предфрактально графовых. Полученный дуальный граф такой декомпозиции назван «конверт-графом», имеет много интересных аналитических свойств. Для решения задачи синтеза такого графа (сети), в котором поток существует и удовлетворяет всем введённым извне ограничениям, предложен алгоритм «вертушечного» деления МКП на зоны, оценка времени решения для которого меняется от O(Q2.33) до O(Q3).

Ключевые слова: декомпозиция, монтажно-коммутационное пространство, потоки в сетях, предфрактальные графы, потоковые алгоритмы.

Полный текст статьи:
BaichorovaElkanova_3_19_1.pdf

МЕТОД РОЯ ЧАСТИЦ С АДАПТИВНЫМИ СОЦИАЛЬНОЙ И КОГНИТИВНОЙ КОМПОНЕНТАМИ


УДК 519.6
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.006

Б.С. Ермаков

Эффективность решения оптимизационных задач с помощью метода роя частиц в значительной степени зависит от выбранных исследователем значений социальной и когнитивной компонент. На данный момент нет возможности однозначно определять такие значения этих параметров, которые бы обеспечивали максимальную эффективность поиска решения для конкретной задачи. В целях устранения этого недостатка, в данной статье предлагается модификация метода роя частиц, в которой социальная и когнитивная компоненты алгоритма адаптируются в процессе оптимизации к исследуемой задаче, избавляя таким образом исследователя от необходимости подбирать значения этих компонент вручную. В основе адаптации лежат принципы, сходные с генетическими алгоритмами: осуществляются отбор наиболее эффективных частиц, скрещивание – передача их значений социальной и когитивной компонент другим частицам, и мутация – случайные модификации значений компонент. Для оценки эффективности полученного алгоритма была проведена серия экспериментов по нахождению минимумов нескольких тестовых функций. Найденные минимумы, усредненные по каждой группе тестов, сравнивались с минимумами, найденными каноническим методом роя частиц. На основе полученных результатов, была выдвинута и подтверждена статистическая гипотеза о превосходстве адаптивного методя роя частиц над каноническим. Проведенное исследование свидетельствует об эффективности применения представленного адаптивного метода для решения практических задач.

Ключевые слова: оптимизация, метод роя частиц, адаптация, генетические алгоритмы.

Полный текст статьи:
Ermakov_3_19_1.pdf

РЕГИСТРАЦИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПОЛИГОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ЛИЦА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ И ДЕТЕКТОРА ЛИЦЕВЫХ ГРАНИЦ


УДК 004.932
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.005

К.В Климов

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью создания высокоточного алгоритма регистрации трехмерных результатов сканирования человеческого лица. Несмотря на то, что за последние десятилетия появилось большое количество различных алгоритмов регистрации трехмерных моделей, включая модели человеческого лица, подавляющее большинство из них не способны проводить точную регистрацию лица в области губ и глаз. Данная работа призвана частично исправить данную ситуацию, путем использования детектора лицевых границ на основе глубокого обучения, а именно с использованием сверточных нейронных сетей. Само по себе, использование детекторов ключевых точек лица (как и на основе нейронных сетей, так и на основе других методов) не является новинкой в области неригидной регистрации. Однако такой подход не дает достаточной точности – сама по себе задача поиска ключевых точек является некорректно поставленной задачей, т.к. не все ключевые точки можно разметить согласованно между разными лицами или между выражениями одного и того же лица. Например, очень сложно поставить точки в середине глаза так, чтоб на разных кадрах они были анатомически на одном месте. В ходе исследования был предложен альтернативный способ – использование лицевых границ, разметка которых является однозначной задачей. Полученные результаты показывают преимущество предложенного подхода.

Ключевые слова: неригидная регистрация, трехмерное сканирование, метод ближайших точек, обнаружение лицевых границ, глубокое обучение, сверточная нейронная сеть.

Полный текст статьи:
Klimov_3_19_1.pdf

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ СЕТЕВОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ КОРПОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ОБЛАЧНЫХ, ТУМАННЫХ И ГРАНИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


УДК 004.75
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.003

С.П. Воробьёв


В этой статье описывается постановка математической модели оптимизации структуры вычислительной сети распределенной корпоративной информационной системы на основе многоуровневой топологии. Многоуровневая топологическая структура позволяет представить структуру сети, которая включает детальное описание взаимосвязей между такими объектами сети, как активное оборудование, рабочие станции и серверы на различных уровнях модели, показать, как единое целое разнообразные аспекты управления передачей данных с поддержкой протоколов QоS, техническую и программную реализации, информационное пространство и менеджмент. В результате проектирование вычислительной сети корпоративной системы может быть выполнено как разработка единой сетевой инфраструктуры распределенных программно-аппаратных средств, которая включает взаимосвязанные и взаимодействующие между собой подсистемы, решающие функциональные задачи по управлению и планированию деятельностью предприятия в рамках единого подхода по достижению цели получения оптимальной архитектуры и отвечающих комплексу системных и функциональных требований по производительности, пропускной способности, надежности и др. Используется парадигма облачных, туманных и граничных вычислений, что позволяет строить современную сетевую инфраструктуру в рамках концепции промышленного IoT. Наиболее характерным примером использования данной парадигмы могут являться интеллектуальные сети электроснабжения, распределенные системы мониторинга транспортировки газа либо нефтепродуктов, распределенные системы промышленного предприятия. Для решения задачи предлагается использовать подход на основе модифицированного генетического алгоритма. Приводятся результаты экспериментов.

Ключевые слова: многоуровневая топологическая структура, распределенная корпоративная система, вычислительная сеть, облачные вычисления, туманные вычисления, граничные вычисления, генетический алгоритм.

Полный текст статьи:
Vorobyov_3_19_1.pdf

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТИ С НЕОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКОЙ


УДК 004.7:421
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.001

С.А. Лаптик, Ф.Н. Абу-Абед


Исследование посвящено разработке программного средства, предназначенного для моделирования сетей с неоднородной нагрузкой с дальнейшим определением характеристик сетевого трафика. Пульсации трафика, неоднородности потоков заявок формируют неравномерную нагрузку в вычислительных сетях. Процесс моделирования сетей перед их непосредственным проектированием является первостепенной задачей, соответственно разработка программного средства (инструмента) моделирования сетей является актуальной задачей. Разработка алгоритмических и программных средств моделирования сетевого трафика значительно упрощает процесс исследования вычислительных сетей и способствует выработке рекомендаций для дальнейшего перераспределения нагрузки между узлами сети. Каждая разрабатываемая модель имеет свои ограничения и от них зависит достоверность вероятностных результатов моделирования, которые зависят от выбранного математического аппарата. Аппарат теории массового обслуживания позволяет осуществить анализ полученных результатов на уровне их средних значений, а имитационное моделирование позволяет в течение установленного модельного времени осуществить мониторинг изменений сетевого трафика за весь период моделирования. Разработанное программное средство базируется на модификации уже существующего классического алгоритма расчета показателей производительности сетей ЭВМ с неоднородным трафиком. Алгоритм позволяет оптимизировать значения параметров направленных на повышение показателей качества работы сетей с неоднородной нагрузкой.

Ключевые слова: моделирование, компьютерные сети, сетевой трафик, сети с неоднородной нагрузкой, производительность.

Полный текст статьи:
LaptikAbu-Abed_3_19_1.pdf