2017 год, №3

Содержание выпуска
Высокопроизводительный микропроцессор 1890ВМ118 с архитектурой комдив для создания доверенных систем
С.И. Аряшев, С.Г. Бобков, П.С. Зубковский, С.А. Морев, Б.Ю. Рогаткин
Стр. 345 — 352
В статье рассматриваются особенности разработки высокопроизводительного микропроцессора для создания доверенных систем. Производительность микропроцессора определяется производительностью ядра или количеством одновременно выполняющихся операций и временем доступа к памяти. Возможность использования микропроцессора для создания доверенных систем основывается на использовании в его составе блоков и узлов собственной разработки. Производительность ядра микропроцессора определяется в основном тремя характеристиками: тактовой частотой микропроцессора, частотой следования инструкций и количеством операций, выполняемых одной инструкцией. Для микропроцессора 1890ВМ118 эти характеристики в большинстве случаев оптимизируются по параметру соотношения производительности и потребляемой мощности. Повышение тактовой частоты достигается за счет использования заказного проектирования критичных для быстродействия блоков и оптимизации длины конвейера. Частота следования инструкций увеличивается путем использования таких аппаратных решений, как суперскалярное исполнение инструкций, предсказание переходов и предварительная подкачка данных в кэш-памяти. Реализация арифметического сопроцессора, ориентированного на задачи цифровой обработки сигналов, позволяет повысить число операций, выполняемых одной командой. Повышение производительности подсистемы памяти рассматривается в статье с точки зрения симметричного доступа к памяти для двухъядерного микропроцессора. Описан подход к реализации когерентности в кэш-памяти процессорных ядер. Особое внимание уделено средствам повышения безопасности в микропроцессоре, которые предназначены для создания на его основе доверенных систем. Рассмотрены аппаратные решения для доверенной загрузки операционной системы и изолированного доступа к памяти. Для обеспечения доверенной загрузки предлагается использовать накристальное постоянное запоминающее устройство и однократно программируемую память, содержащие безопасный начальный загрузчик, а также ключи для проверки подписей операционной системы. К средствам изолированного доступа относится рассмотренный в статье контроллер доступа к памяти, реализованный в микропроцессоре. Предложены перспективные направления повышения безопасности систем на кристалле для создания доверенных систем на основе микропроцессоров разработки ФНЦ НИИСИ РАН.
Воспроизведение видеоданных высокой четкости в виртуальной трехмерной среде имитационно-тренажерных систем
А.М. Гиацинтов, К.А. Мамросенко
Стр. 353 — 358
В статье приводятся разработанные методы воспроизведения видеоматериалов высокой четкости в подсистеме визуализации тренажерно-обучающих систем. Тренажерно-обучающие системы, как правило, содержат значительное количество разнородных информационных ресурсов. Особый интерес представляют такие виды аудиовизуальной учебной информации, как динамические графики развития процессов, иллюстративные материалы изучаемых объектов, трехмерные модели объектов и их частей, результаты работы моделирующих комплексов в форме видеообразов с сохранением управляемости приложения, видеоматериалы. Подсистема визуализации обеспечивает отображение результатов моделирования внешней среды и объекта управления с помощью устройств отображения информации. Отображение видеоматериалов в виртуальной трехмерной сцене является одним из требований к тренажерно-обучающим системам. Воспроизведение видеоматериалов внутри виртуальной трехмерной сцены является сложной задачей, так как необходимо учитывать такие факторы, как производительность подсистемы визуализации и производительность видеокарты. Подсистема визуализации должна обеспечивать отображение трехмерной сцены с приемлемой частотой кадров (не менее 25 кадров в секунду) и при этом быть способной реагировать на внешние воздействия, в том числе на изменения параметров трехмерной сцены или загрузку дополнительных объектов. Для отображения нескольких видеоматериалов высокой четкости в виртуальной трехмерной сцене авторами была разработана и реализована архитектура декодера кадров видео. Архитектура включает декодер видео, в котором происходит декодирование видео- и аудиопакетов; подсистему воспроизведения декодированного звука; управляющую структуру, необходимую для запуска видео, паузы воспроизведения, выставления громкости воспроизводимого видео и т.д.; интерфейс взаимодействия с движком, необходимый для обновления видеокадров.
Моделирование распределения потенциала в двухзатворном полевом нанотранзисторе со структурой кремний на изоляторе с асимметричным затвором
Н.В. Масальский
Стр. 359 — 366
Рассматриваются аналитическая 2D-модель распределения потенциала и вытекающая из нее модель порогового напряжения для тонкопленочного двухзатворного полевого нанотранзистора со структурой кремний на изоляторе с фронтальным затвором из двух последовательно соединенных материалов с разной работой выхода. Исследованы по- ведение потенциала в транзисторных структурах в области длин затворов менее 50 нм, его зависимости от смещений на стоке для различных конфигураций фронтального затвора. Полученные результаты однозначно показывают, что применение двух материалов с разной работой выхода во фронтальном затворе приводит к эффективному подавлению короткоканальных эффектов из-за ступенчатой функции в профиле потенциала на границе раздела двух материалов. Сдвиг положения поверхностной позиции минимума поверхностного потенциала незначителен с увеличением смещений стока. Пиковое электрическое поле у стока значительно снижается по сравнению с аналогичной транзисторной структурой, но с однородным фронтальным затвором. Одновременно прогнозируются достижение более высокой активной межэлектродной проводимости и уменьшение подпороговой утечки по сравнению с классическими двухзатворными полевыми нанотранзисторами со структурой кремний на изоляторе в области длин затворов менее 50 нм. Отличительными свойствами исследуемых структур являются существенное снижение пика электрического поля на границе рабочая область–сток, уменьшение паразитных эффектов порогового напряжения. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными вычислительного эксперимента, полученными при помощи коммерчески доступного программного пакета ATLAS, предназначенного для моделирования сложных транзисторных структур. Таким образом, применение двух материалов с разной работой выхода во фронтальном затворе двухзатворных полевых нанотранзисторов со структурой кремний на изоляторе улучшает их ключевые электрофизические характеристики по сравнению с двухзатворными полевыми транзисторами с однородным фронтальным затвором и с объемными аналогами.
Многофункциональный программный комплекс теплового проектирования электронных систем: требования к архитектуре и функциональным возможностям моделирования
А.Г. Мадера, В.Н. Решетников
Стр. 367 — 372
Рассмотрены концепции математического и компьютерного моделирования, положенные в основу разработки и создания многофункционального программного комплекса для теплового проектирования сложных электронных систем. Показаны принципиальные недостатки зарубежных программных комплексов теплового проектирования, которые не позволяют использовать их в практике проектирования и создания конкурентоспособных электронных систем. В статье обоснованы требования к многофункциональному программному комплексу для адекватного проектирования тепловых процессов и температурных распределений в электронных системах в условиях функционирования и эксплуатации, приближенных к реальным, а именно: программный комплекс должен обеспечивать возможность моделировать тепловые процессы в электронных системах, являющиеся нелинейными, нестационарными, трехмерными, интервально-стохастическими, а также учитывать влияние тепловой обратной связи, особенности конструкции и монтажа элементов в электронной системе, воздействие дестабилизирующих механических, климатических и радиационных факторов. Архитектура многофункционального программного комплекса должна включать высокоэффективное математическое вычислительное ядро, развитую сервисную пользовательскую оболочку, отвечающую современным требованиям к сложным программным комплексам и системам. Сервисная оболочка, в свою очередь, должна обеспечивать визуальную, наглядную и удобную для восприятия форму задания исходных данных в виде цветных изображений температурных распределений и других тепловых характеристик на различных иерархических уровнях. Программный комплекс реализуется в среде Microsoft Visual Studio, обеспечивающей объектно-ориентированный подход, на языке высокого уровня С#, под управлением семейства операционных систем Microsoft Windows. Модульность архитектуры позволяет эффективно расширять возможности и модернизацию программного комплекса.
Идентификация состояния сложной технической системы в условиях неопределенности измерительной информации
А.А. Генов, К.Д. Русаков, С.Ш. Хиль
Стр. 373 — 377
В статье обозначена актуальная задача идентификации функционального состояния сложной технической системы в условиях повышенной зашумленности с помощью перехода к другому пространству признаков наблюдаемого состояния, определено понятие «функциональное состояние». Задача оценки функционального состояния показана как дуальная задача идентификации и распознавания образов. Уделено внимание возможному выбору параметров математических моделей, а также их структур в качестве новых признаков наблюдаемого состояния. Для решения задачи параметрической идентификации выбран метод наименьших квадратов, показывающий смену функционального состояния. В задачах контроля и испытания сложными техническими системами немаловажную роль играет процесс анализа измерительной информации. Только пройдя все этапы обработки, можно принять решение о том или ином состоянии объекта испытаний. Однако сделать это сложно в случае поступления информации очень низкого качества. Устранение данной проблемы сводится в основном к поиску решений по формированию и совершенствованию соответствующих правил принятия управленческих решений. При этом в штатных условиях и ситуациях создание таких правил во многих случаях не вызывает особых проблем, однако в нештатных условиях сделать это проблематично. Анализ состояния сложных технических объектов или их подсистем по результатам измерений предполагает решение задач структурной и параметрической идентификации. Управление сложными техническими объектами и их испытание характеризуются неопределенностью воздействия внешних факторов, аномальными и случайными погрешностями измерений. Для обеспечения требуемого качества анализа состояния их подсистем необходимо формирование принципов адаптивного управления процессом идентификации, методик оптимального выбора структуры моделей исходя из качества данных измерений. Особенно это актуально при автоматизации вторичной обработки на объектах с терминальным управлением.
Проблемы отладки многопроцессных систем
В.А. Галатенко, К.А. Костюхин
Стр. 378 — 383
Статья посвящена проблеме отладки сложных многопроцессных систем. Разработка качественных сложных аппаратно-программных систем – длительный, трудоемкий процесс. Считается, что около половины времени уходит на отладку. Переход на многоядерные процессорные архитектуры сделал параллелизм нормой, равно как и специфичные для параллельных систем ошибки. Это делает отладку еще более важной и одновременно более сложной. Основная особенность многопроцессных систем – использование сложных асинхронных взаимодействий между компонентами системы, эта особенность влияет на подходы к отладке систем, определяет выбор инструментов и методов отладки. Сложность отладки также обусловлена количеством и разнородностью компонентов многопроцессных систем, часть из которых могут быть аппаратными. Традиционный набор инструментов отладки в широком смысле (интерактивный отладчик, трассировщик, библиотеки самоконтроля, воспроизведения и отладки производительности) не теряют своей актуальности, но варианты их применения изменяются. В работе сначала рассматриваются существующие средства и методы отладки, выделяются их достоинства и недостатки. Затем описываются существующие проблемы отладки многопроцессных систем и предлагается архитектура отладчика многопроцессных систем. В заключении представлены выводы авторов.
Решение задач оптимизации при суперэлементном моделировании разработки нефтяных месторождений
И.В. Афанаскин, П.В. Ялов, А.М. Гиацинтов, А.В. Родителев
Стр. 384 — 391
Нефтяные месторождения России разрабатываются преимущественно с помощь заводнения. Большинство из них находятся на третьей или четвертой стадии разработки. Следовательно, обводненность продукции скважин составляет 80–90 % и более. В этих условиях с целью оптимизации разработки месторождений инженеры-нефтяники стараются уменьшить добычу и закачку воды при сохранении или увеличении добычи нефти. Для этого решаются задачи контроля и регулирования разработки месторождения с использованием различных математических моделей. В данной работе рассматривается суперэлементная математическая модель заводнения, основанная на модели двухфазной фильтрации слабосжимаемых несмешивающихся жидкостей (нефти и воды) в упругом пласте по закону Дарси. Система дифференциальных уравнений для давления и насыщенности аппроксимирована на сетке Вороного полностью явным образом. Размеры суперэлементов сопоставимы с расстоянием между скважинами. Это позволяет проводить вычисления без использования специального ПО. Для решения обратных задач (определения коэффициентов модели или оптимизации параметров разработки) в работе используются метод Ньютона и метод сопряженных градиентов. В классической постановке обратной задачи методы теории оптимизации должны применяться непосредственно к математической модели исследуемого процесса. Однако в случае решения задач разработки нефтяных месторождений количество параметров для оптимизации может быть очень велико, а сложность математической модели довольно высока, поэтому применение методов теории оптимизации непосредственно к математической модели может быть очень трудоемким. Для преодоления этого противоречия предлагается с помощью математической модели заводнения строить статистические зависимости показателей разработки от искомых параметров, а затем применять методы теории оптимизации уже не к математической модели, а к полученным статистическим зависимостям. Для иллюстрации такого подхода рассматривается решение задачи адаптации модели по абсолютной проницаемости. Установлено, что применение метода сопряженных градиентов непосредственно к модели заводнения дает ошибку в определении проницаемости 11,8 %. Применение того же метода к статистической зависимости ошибки адаптации модели (по накопленной добыче и закачке нефти и воды) от логарифма проницаемости дает ошибку в определении проницаемости лишь не- многим больше – 15 %.
Реализация каналов спецификации ARINC 653 в операционной системе реального времени Багет 3
А.Н. Годунов, В.А. Солдатов, И.И. Хоменков
Стр. 392 — 400
В статье рассматриваются каналы спецификации ARINC 653, предназначенные для взаимодействия между процессами. Предлагаются основные принципы построения и методы взаимодействия драйверов каналов с отечественной операционной системой реального времени Багет 3, в которой интерфейс с пользователем базируется на специфика- ции ARINC 653 и стандарте POSIX. Доступ к каналам осуществляется через порты. У каждого канала имеются только один порт, передающий сообщения, а также один или несколько портов, принимающих сообщения. Данные в каналах могут передаваться только в одном направлении. Прикладная программа может использовать каналы в процессах, соответствующих как спецификации ARINC, так и стандарту POSIX. Формулируются требования, предъявляемые к драйверам каналов, и описываются средства управления уведомлениями, которые используются при создании конкретного драйвера. Рассматриваются этапы инициализации, приема и передачи сообщений, а также алгоритмы их реализации. Предложенные способы построения взаимодействия драйверов каналов с операционной системой реального времени позволяют избежать записи данных в память чужого процесса, что существенно повышает надежность функционирования системы. Этот же интерфейс используется и в распределенных вычислительных системах, когда отдельные узлы системы соединяются между собой посредством шин с общим доступом (VME, RapidIO, Fibre Channel) или с помощью сети Ethernet. Таблица связей по каналам определяется при конфигурировании системы. Драйвер каналов, разработанный для коммуникационной среды RapidIO, отличающейся высоким быстродействием, используется в отечественной многопроцессорной системе цифровой обработки сигналов.
Анализ современных методов тестирования и верификации проектов сверхбольших интегральных схем
Д.И. Слинкин
Стр. 401 — 408
Компании, разрабатывающие сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), придерживаются определенных маршрутов проектирования и входящих в них маршрутов тестирования. Считается, что 60–80 % усилий команд-разработчиков аппаратных средств затрачивается на верификацию и отладку. Важным этапом является отладка моделей уровня регистровых передач (RTL). При этом не существует универсальной методики для решения этой задачи. В статье анализируются зарубежные и отечественные публикации, посвященные отладке и верификации промышленных проектов СБИС. Разбираются четыре основные методологии: формальная верификация, имитационное тестирование, использование аппаратных ускорителей, создание прототипов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Для каждой из этих методологий приводится информация о способе выявления ошибок, существующих программных и аппаратных инструментах, которые могут быть применены в процессе отладки. Анализируются их особенности, такие как трудоемкость, требования к квалификации и численности команд верификаторов, стоимость необходимых инструментов, наличие метрик для оценки тестового покрытия. Приводятся названия конкретных промышленных проектов СБИС, в которых эти методологии были использованы: микропроцессоры, высокопроизводительные сетевые коммутаторы, графические процессоры. Называются примененные разработчиками инструменты. Особое внимание уделено отладке проектов на ПЛИС. Разбираются следующие подходы: использование встроенного логического анализатора, внешнее контрольно-измерительное оборудование и их комбинирование. На основе практического опыта показано, что четыре рассмотренные методологии отладки и верификации проектов СБИС имеют разграниченные области применения. Называются типы микросхем, для которых может быть использована конкретная методология. Кратко резюмируются их достоинства и недостатки.
Сравнение производительности отечественных и импортных микропроцессоров
Н.Д. Байков, А.Н. Годунов
Стр. 409 — 419
В статье сравнивается производительность трех различных процессоров архитектуры MIPS – RM7000, XLP316 и 1890ВМ8Я и описываются их архитектурные особенности. Для оценки производительности процессоров при помощи языков программирования C и Assembler строится и применяется методика тестирования, включающая в себя три последовательных этапа. На первом этапе тестирования измеряется время выполнения отдельных процессорных инструкций при условии, что эти инструкции и необходимые для их работы данные лежат в кэш-памяти первого уровня. Инструкции делятся на несколько групп, для представителей каждой из которых в статье приводятся результаты. На втором этапе измеряется эффективность работы со структурой кэш-памяти первого и второго уровней. В данной статье приводятся только результаты измерений времени обращения в кэш-память второго уровня и в основную память. На третьем этапе сравниваются полученные измерения с теоретическими оценками, построенными на основе результатов первых двух этапов тестирования. Для этого используются синтетические тесты производительности. Достоинством методики является независимость результатов измерений от используемого компилятора и операционной системы. Все измерения производятся в тактах процессора средствами специальных регистров сопроцессора.
Гибридные когнитивные нечеткие системы управления автономным роботом на основе нейроинтерфейса и технологии мягких вычислений
С.В. Ульянов, А.Г. Решетников, А.А. Мамаева,
Стр. 420 — 424
В статье обсуждаются возможности применения нейроинтерфейса совместно с различными типами регуляторов на типовом примере управления автономным транспортным средством. Проведена оценка возможностей применения методов и средств технологии интеллектуальных вычислений для повышения надежности функционирования системы управления. Цель данной работы – на основе эксперимента показать возможности эффективного применения когнитивного интерфейса («мозг–компьютер–исполнительное устройство») на примере управления транспортным средством (мобильным роботом), раскрыть возможность применения современных технологий управления и показать роль и необходимость интеллектуальных вычислений в работе интерфейса «мозг–компьютер» для повышения надежности и робастности системы управления. В частности, рассмотрена возможность управления типовым движением объекта (вперед, назад, влево, вправо, обход препятствий) посредством когнитивного шлема с помощью стандартного блока распознавания команд и различных типов систем управления, в том числе на основе оптимизатора баз знаний на мягких вычислениях.
Обзор средств имитационного моделирования коллективов роботов с элементами социальной организации
М.А. Ровбо, Е.Е. Овсянникова, А.А. Чумаченко
Стр. 425 — 434
работе рассматриваются механизмы, важные для адекватного моделирования группы искусственных агентов, особенно мобильных роботов, организованных в систему с элементами социальной структуры. Сформулированы основные механизмы для моделирования искусственных коллективов с социальной структурой. Проведен обзор инструментов моделирования, основанный на этих требованиях, определяющий преимущества и недостатки существующих систем для моделирования, симуляции и исследования подобных систем. Обзор сосредоточен вокруг средств моделирования биологических систем (в частности, муравьев, так как они являются ярким примером социальной группы), агентного моделирования и специализированных инструментов симуляции роботов. Сделан акцент на уровень поддержки различных социальных механизмов в системах моделирования, а также на их возможности моделирования, особенно большого количества агентов (в частности, поддержка вычислений на кластерах), на умение симулировать пользовательские модели и реализацию различных аспектов социальной группы. Выяснилось, что, хотя есть много общих средств для создания и симуляции моделей, существует очень мало под- держки и готовых реализаций даже широко используемых механизмов, таких как феромоны, предоставленных системами для создания и исследования группы робототехнических агентов с социальной структурой. С другой стороны, средства, направленные на моделирование систем с элементами социального поведения, таких как системы моделирования поведения муравьев, не очень масштабируемы или ограничены в наборе аспектов, которые они могут моделировать, и нет удобных механизмов их расширения для углубленных исследований. На основе обзора была выявлена потребность в комплексной системе моделирования, специально направленной на исследования в области искусственных групп агентов с элементами социальной структуры, и сформулированы требования к такой системе.
Разработка системы стереозрения для мобильного робота
С.В. Ульянов, А.Г. Решетников, К.В. Кошелев
Стр. 435 — 438
Основным источником развития робототехнических систем и систем искусственного интеллекта является усовершенствование вычислительной техники, устройств и сенсоров, позволяющих получать информацию об окружающей среде. Этот процесс неразрывно связан с развитием ПО бортовых процессоров, которые используются при управлении автономным роботом. В данной статье приводится краткое описание модуля разрабатываемой системы распознавания образов автономного робота, базирующегося на технологии стереозрения. В настоящее время все чаще упоминаются системы, состоящие из комбинаций нескольких видеокамер, лазерных радаров, тепловизоров и других источников получения информации об окружающей среде. Широкое применение оборудование такого класса получило при создании автопилотов для транспортных средств, систем контроля безопасности, беспилотной авиаразведки, различных бытовых роботов. Применение стереозрения позволяет получать данные о глубине изображения и расстоянии до объектов, строить трехмерную картину окружающего мира. В работе также дано описание настройки используемого оборудования (пара камер, закрепленных на общем основании): описан процесс калибровки стереопары (поиск калибровочного шаблона на изображении производился с помощью фреймворка ROS). Изображения, полученные с камер, подвергаются ректификации – преобразованию, при котором оба изображения проецируются на плоскость, параллельную линии, соединяющей оптические центры камер. В статье рассмотрены основы проективных преобразований и эпиполярной геометрии, а также идея, лежащая в основе построения карт глубины и смещений. В качестве результата представлен программный модуль распознавания, разработанный с помощью языка программирования Python.
Фреймворк для анализа и прогнозирования временных рядов при разработке компонент проактивных систем поддержки принятия решений
М.В. Щербаков, К.С. Задиран, А.В. Голубев, Аль-Гунаид Моххаммед Амин
Стр. 439 — 446
В статье описан разработанный фреймворк для автоматизации исследований в области проектирования математического и ПО проактивных систем поддержки принятия решений. В частности, рассматривается проблема анализа и прогнозирования временных рядов для формирования компонент автоматизации прогнозирования различных процессов. На практике для прототипирования компонент используются различные библиотеки анализа данных (на языках R, Python). Основная проблема – отсутствие или недостатки реализации методики анализа, то есть последовательности действий при анализе. Кроме этого, следует выделить ряд сдерживающих факторов, влияющих на эффективность проектирования компонент анализа и прогнозирования: рутинные операции при ручном анализе временных рядов, отнимающие много времени разработчика; недостаточная квалификация разработчика как сдерживающий фактор реализации компонент проактивных систем; зачастую необходимость анализа большого числа однотипных данных. Предлагаемое программное решение, представляющее собой ПО на языке Python, позволяет автоматизировать процесс анализа временных рядов и формировать отчет в формате LaTeX. Формирование осуществляется в автоматическом режиме в соответствии с методологией CRISP-DM. Отчет содержит результат комплексного анализа временных рядов в соответствии с опубликованными и признанными методиками. Все функции фреймворка можно отнести к одной из следующих групп: функции загрузки данных и формирование внутреннего фрейма данных; функции дескриптивного анализа временных рядов с визуализацией; функции прогнозирования и функции формирования отчета. Показан пример использования фреймворка для решения задачи поддержки принятия проактивных управленческих решений в системах энергетического менеджмента (прогнозирование потребления электроэнергии).
Современные тенденции в автоматизированной оценке юзабилити и поведенческие факторы в алгоритмах поисковых систем
М.А. Бакаев
Стр. 447 — 455
В настоящее время сохраняются неопределенность относительно количественного измерения юзабилити, а также ненужное противопоставление его объективных составляющих (продуктивности и эффективности) и субъективного аспекта удовлетворенности пользователя. В данной обзорной статье отмечается, что практическая цель заключается не столько в измерении юзабилити веб-сайта, сколько в улучшении качества его использования или его оценки со стороны соответствующих алгоритмов поисковых систем, которые все более повышают важность поведенческих факторов в ранжировании. Описаны традиционные методы оценки и проектирования юзабилити веб-сайтов и современные инструменты, вносящие в них элементы автоматизации. В рамках автоматизированной оценки юзабилити выделены подходы, основанные на взаимодействиях, метриках и моделировании, указаны возможности и ограничения каждого из них. Кроме того, дан краткий обзор гибридных подходов, которые все в большей степени используют методы искусственного интеллекта и машинного обучения. Так, эффективным методом для оценки качества взаимодействия с веб-сайтом являются нейронные сети, применяемые, в частности, в рамках эволюционных алгоритмов проектирования для вычисления фитнес-функции для решений-кандидатов. Описаны методы автоматизированной оценки юзабилити сайтов со стороны глобальных поисковых систем (Яндекс, Гугл), приводится перечень некоторых значимых поведенческих факторов. Фактически поисковые системы рассматривают юзабилити как «черный ящик» и активно применяют методы машинного обучения для аппроксимации его оценки. Таким образом, концептуализация и практическая оценка юзабилити со стороны поисковых систем, которые в значительной степени формируют веб-среду на сегодняшний день, постоянно эволюционируют и требуют соответствующих гибких и адаптивных подходов со стороны веб-дизайнеров и разработчиков.
Верификация моделей систем на базе эквациональной характеристики формул LTL
Ю.П. Кораблин, А.С. Кочергин, А.А. Шипов
Стр. 456 — 460
Метод верификации на моделях Model Checking уже давно получил широкое признание в области, связанной с оценкой качества работы программных и технических систем. Такие ключевые компании в области IT-индустрии, как Intel, Microsoft, Amazon и другие, активно применяют его на этапах разработки и сопровождения своих продуктов. Успех Model Checking, безусловно, не является случайным, поскольку именно его появление и развитие позволили решить множество проблем в области верификации, а именно: проблемы унифицированного представления программных и технических систем, формального задания требований, автоматизации этапов верификации, верификации больших распределенных программных систем и другие. Однако постоянное развитие современных технологий и темпы роста сложности современных программных систем ставят перед Model Checking все новые проблемы, которые могут стать непреодолимым препятствием на пути эффективной верификации. Поэтому необходимо постоянное совершенствование теории и инструментов данного метода. В статье авторами подробно рассматривается реализация алгоритма верификации метода Model Checking для формул логики линейного времени LTL на базе новой нотации RLTL (Recursive Linear Temporal Logic), которая является рекурсивным представлением формул логики линейного времени. Поскольку на базе RLTL могут быть заданы как модель верифицируемой системы, так и требования к ней, можно избежать необходимости их предварительного преобразования к автоматам Бюхи и сразу приступать к процессу верификации, что упростит алгоритм метода и повысит его эффективность.
Разработка системы разрешения анафоры на основе методов машинного обучения
А.В. Соколов, Т.В. Батура
Стр. 461 — 468
В работе предложен и реализован метод разрешения анафоры местоимений третьего лица в текстах на русском языке. Задача нахождения искомых пар «анафор–антецедент» рассматривается как задача бинарной классификации. Предварительно осуществляется морфологический и синтаксический анализ текста. Для морфологического анализатора использовалась библиотека pymorphy2. Синтаксический анализ производился при помощи MaltParser. Непосредственно сам алгоритм разрешения анафоры состоит из трех этапов. Сначала происходит поиск всех местоимений, затем составляется множество потенциальных антецедентов и осуществляется выбор наиболее подходящего кандидата. Компонент создания множества кандидатов в антецеденты основан на применении дистанционного, морфологического и синтаксического фильтров. В качестве алгоритма классификации выбран алгоритм машинного обучения Random Forest. Классификатор выбора наиболее вероятного кандидата учитывает 78 различных признаков. Проведены исследования по проверке эффективности данного метода, доказывающие применимость разработанного подхода. По результатам тестирования можно заметить, что качество анализатора улучшается, когда не учитывается морфологический фактор падежа. Также можно отметить, что на наборе признаков, не содержащем падежи, меньшее влияние на конечный результат оказывает количество взятых для расчета деревьев. При создании систем разрешения анафоры основные проблемы заключаются в следующем. Во-первых, поиск анафорических отношений лежит в области семантики и поэтому трудно поддается формализации. Во-вторых, существуют особенности русского языка, такие как развитая морфология, морфологические и синтаксические неоднозначности, которые отрицательно сказываются на результате.
Информационно-аналитическая система оценивания трудозатрат и стоимости создания программных средств
С.Л. Котов, А.А. Демирский
Стр. 469 — 473
В статье рассматривается метод оценки размера создаваемого программного средства на ранних этапах жизненного цикла его разработки. Для программных средств одного класса наибольшее влияние на трудоемкость разработки оказывает их размер. Обоснованная оценка размера создаваемого программного средства необходима для адекватной оценки трудозатрат и стоимости разработки. В статье дается краткий обзор существующих методов оценки размера создаваемого программного средства. Среди них наиболее распространенными являются метод конструктивной модели стоимости (COCOMO, COCOMO II) и метод функционально-балльной оценки (FPA). Указаны недостатки данных методов. Для формирования оценки размера создаваемого программного средства предлагается использовать метод, являющийся развитием FPA и COCOMO II. Он основан на подсчете программных объектов: экранных форм, отчетов, файлов данных (таблиц СУБД), функций импорта/экспорта данных. Для оценки размера создаваемых программных объектов используется база нечетких продукционных правил, параметры которой определяются с помощью искусственной нейронной сети (нейронная продукционная сеть Такаги–Сугено–Канга). Приводится математическое описание используемых моделей оценки. Метод был адаптирован для оценки размера создаваемого специального ПО автоматизированных систем. Выделены преимущества применения предложенного метода оценки размера создаваемого программного средства. С использованием данного подхода была разработана информационно-аналитическая система оценивания трудозатрат и стоимости создания программных средств. В статье рассмотрена функциональная структура информационно-аналитической системы, дается перечень режимов ее функционирования. В заключение приведены результаты применения предложенного метода для оценки размера создаваемого специального ПО автоматизированных систем.
Расчет оптимальной зависимости цены информационного ресурса при его реализации на нескольких рынках
С.А. Амелькин, О.С. Иванова
Стр. 474 — 477
В последнее время наряду с материальными ресурсами все большее значение приобретают информационные, нематериальные ресурсы. Они имеют ряд особенностей, которые следует учитывать при решении задач оптимального управления бизнес-процессами. Одна из наиболее ключевых проблем информационного рынка – определение стоимости информации. Однако здесь возникает ряд трудностей из-за специфики товара. В данной статье под информационным товаром будем понимать некий программный продукт. Продажа информационных ресурсов характеризуется тем, что его тиражирование может быть осуществлено без существенных дополнительных затрат. Это приводит к увеличению объема ресурса в ходе процессов его распространения. При этом установление цены является одним из ключевых моментов, определяющих дальнейшее распространение и продвижение товара, которое должно учитывать множество факторов, в том числе и способ его распространения. В работе рассмотрена задача определения ценовой политики фирмы, реализующей на рынке информационный ресурс. Решена задача определения оптимальной зависимости цены информационного ресурса от времени для случая, когда фирма-продавец не имеет конкурентов на рынке, рынок насыщается, а покупатели лишены возможности дальнейшего распространения ресурса. Получены условия оптимального выбора цены информационного ресурса, а для линейной функции спроса рассчитан максимально возможный доход фирмы, а также получены условия, определяющие продолжительность и объем продаж, обеспечивающих максимум среднего дохода фирмы. При известной функции спроса, которую можно найти аппроксимацией данных эксперимента, полученные условия позволяют выбрать оптимальное изменение цены продаж в функции, определяющей число проданных экземпляров информационного ресурса.
Метод частотно-морфологической классификации текстов
А.А. Осочкин, В.В. Фомин, А.В. Флегонтов
Стр. 478 — 486
Появление централизованных хранилищ данных и накопление в них информации в виде как структурированных таблиц, так и слабо-структурированных текстов стали следствием растущего внимания к методам анализа данных. Анализ данных в перспективе позволяет получать важную информацию, на основе которой можно принять верное управленческое решение или спрогнозировать дальнейшее развитие событий. Одним из важных направлений этого анализа является автоматическая классификация накопленных данных в электронном виде, упрощенная модель которой сводится к считыванию, обработке текста и присвоению документу темы из заранее заданного списка. Все чаще работы зарубежных коллег посвящаются классификации данных в области медицины для последующего прогноза развития болезни на основе статистики или постановки диагноза на основе истории болезни. Главную сложность в классификации представляют тексты на естественном языке, которые в силу лингвистических особенностей языка и поддержки частью методов классификации исключительно числовых данных трудно поддаются классификации. В настоящей работе исследуется научная активность в сфере классификации данных на естественном языке на основе ежегодной публикации научных трудов в данной сфере, а также предлагается на рассмотрение метод классификации русскоязычных текстов, интегрирующий в себе алгоритмы частотного, морфологического и интеллектуального анализов. Процедура классификации текстов предполагает применение частотных, морфологических показателей и регрессионных деревьев. Также в данной работе представлены результаты ряда экспериментов по идентификации метода классификации с наиболее высокой точностью. Классификация осуществлялась по функциональным, литературным и авторским стилям.
Алгоритмы концептуального моделирования и классификации текстов в корпусе тувинского языка
В.В. Быкова, Ч.М. Монгуш
Стр. 487 — 495
Корпус языка  это информационно-лингвистическая система, основанная на собрании оцифрованных текстов некоторого языка. На сегодняшний день корпус тувинского языка включает официально-деловые документы и произведения тувинской художественной литературы. Работы по расширению корпуса тувинского языка и углублению уровня обработки текстов продолжаются. Они приводят к необходимости решения задач анализа естестественно-языковых текстов. Основными из этих задач являются классификация по прецедентам и концептуальное моделирование. Для их решения в статье используется алгебраический подход, называемый анализом формальных понятий. Предлагаются алгоритмы и программы для построения концептуальной модели коллекции литературных произведений и решения задачи бинарной классификации по прецедентам. Указаны приемы снижения вычислительной сложности рассматриваемых алгоритмов. В работе представлены результаты вычислительных экспериментов, подтверждающие результативность предложенных приемов по снижению сложности вычислений. Приведены результаты концептуального моделирования и бинарной классификации произведений тувинского фольклора.
Концепция получения интерсубъективных ответов на нечеткие запросы к базе данных САПР технологических процессов ковки
С.И. Канюков, А.В. Коновалов, О.Ю. Муйземнек
Стр. 496 — 503
Результаты эксплуатации САПР технологических процессов ковки различных поковок на молотах и прессах представляют собой набор значений технологических параметров, получаемых в процессе решения технологических задач и записываемых в реляционную БД. Современные СУБД позволяют работать, как правило, только с четкими БД и четкими запросами. Под четкой БД понимается совокупность записей – признаков интересующих пользователя объектов, значения которых представляют собой строки или числа, однозначно понимаемые пользователями. Четкий запрос предполагает перечисление значений таких признаков либо границ этих значений. Такой подход приводит к тому, что объекты, признаки которых почти удовлетворяют требованиям запроса, не будут выбраны и информация о них будет утеряна. С подобными потерями информации помогает справиться теория нечетких запросов к реляционным БД, механизмы которой, базирующиеся на теории нечетких множеств Л. Заде, впервые были предложены в 1984 году и впоследствии получили развитие в работах Д. Дюбуа и Г. Прада. Разработана концепция применения механизма получения интерсубъективных ответов на нечеткие запросы к реляционной БД САПР технологических процессов ковки. На примере решения задачи выбора из БД САПР технологических процессов ковки с хорошей проработкой металла в конечной поковке и высокой степенью использования металла слитка определены лингвистические переменные, термы и их числовые характеристики, построены функции принадлежности числовых характеристик соответствующим термам и сформулированы правила выборки с учетом значимости поставленных целей. Предложенная концепция может быть использована для разработки механизма получения ответов на нечеткие запросы и в других предметных областях.
Автоматизация процессов подготовки программной документации на изделия радиоэлектронной промышленности
А.В. Гурьянов, А.В. Шукалов, И.О. Жаринов, М.О. Костишин, С.А. Леоновец
Стр. 504 — 509
Рассматривается научная задача автоматизации подготовки текстовой программной документации с помощью специализированного программного средства. Автоматизация процесса подготовки документации основана на обработке данных, содержащихся в нормативно-технической документации или в техническом задании. Обработка данных предполагает наличие структурированных электронных документов, подготовленных в распространенных форматах в соответствии с шаблонами на основе отраслевых стандартов, и генерацию автоматизированным способом текстового программного документа. Шаблоны могут меняться на любом этапе жизненного цикла проекта. Временные затраты на смену шаблона должны быть минимальными. Для их предварительного показа пользователю используется формат XPS. Приведены в форме графа перечень разрабатываемых программных документов и пример обработки данных для генерации текстового документа, созданного на основании ГОСТ 19.101-77. Описаны новое разработанное ПО и инструментальные средства, доступные разработчику в проектной деятельности на приборостроительном предприятии. Показан пример изменения состояния атрибутов документов, а также приведен алгоритм создания проекта программного документа в разработанном ПО. Разработка системы автоматизации оформления технической документации является экономически выгодной. Предлагаемая программа САПР позволяет автоматизировать на приборостроительном предприятии работу разработчиков программно-управляемых изделий, связанную с подготовкой программной документации. Программное средство разработано и функционирует на базе инструментальной ЭВМ с характеристиками: процессор Intel(R) Core(TM) i5-6300HQ, 4 ядра, тактовая частота 2,3 ГГц, оперативная память 8 Gb под управлением операционной системы Windows 7.
Пространственно-временная модель транспортной сети системы материально-технического обеспечения эксплуатации группировки радиоэлектронных средств
С.В. Игнатьев, В.Б. Тихонов, А.В. Красников, А.А. Осипов
Стр. 510 — 516
Поддержание надежности сложных радиоэлектронных средств на заданном уровне в первую очередь зависит от эффективности функционирования существующей системы технической эксплуатации, одной из составных частей которой является система материально-технического обеспечения. Основной задачей данной системы является своевременное пополнение запасов материально-технических ресурсов, необходимых для правильной эксплуатации радиоэлектронных средств. При этом в связи со значительным пространственным разнесением комплексов специального назначения, основу которых составляют радиоэлектронные средства, от баз хранения и ремонта становится актуальной задача быстрого и правильного принятия решения при управлении доставкой необходимых ресурсов. Для этого требуется знать возможные (предпочтительные) маршруты доставки материально-технических ресурсов с учетом различных аварийных ситуаций, дорожных заторов, масштабных дорожных работ, природных катаклизмов и других факторов, а также оптимальные из них по критерию требуемого значения времени и (или) стоимости доставки материально-технических ресурсов. В работе предложена пространственно-временная модель транспортной сети системы материально-технического обеспечения эксплуатации группировки радиоэлектронных средств, на основе которой может быть решена задача определения предпочтительных маршрутов доставки материально-технических ресурсов до потребителя и выбора из них оптимального маршрута по заданным критериям.
Автоматизация процесса формирования учетной документации с использованием базы данных радиоэлектронных компонентов
А.В. Гурьянов, П.В. Коновалов, А.В. Шукалов, И.О. Жаринов, С.А. Леоновец
Стр. 517 — 523
Рассматривается инструментальное ПО, предназначенное для поддержки решения задач автоматизации формирования конструкторской документации, содержащей сведения о цветных и драгоценных металлах, примененных в радиоэлементах, входящих в состав изделия. Для хранения информации об электро-радио-изделиях и о количестве содержащихся в них ценных металлов используется специально спроектированная БД. Эта база является SQL-совместимой и состоит из четырех взаимосвязанных таблиц. Пользователь может разместить ее как на локальном компьютере, так и в сети. Она содержит необходимую для выполнения расчетных работ информацию и допускает возможность внесения сведений о новых компонентах. Такую функцию программно реализует процедура, обеспечивающая ручное и автоматическое добавление информации в БД. В ручном режиме элементы заносятся поочередно и производится проверка корректности вводимых данных. В автоматическом режиме информация считывается из файла специального формата XML и элементы добавляются группами с пометкой о наличии данных о содержании в них ценных металлов. Производится проверка добавленных элементов. В отдельном окне программы составляется результирующий проект изделия, содержащий в форме дерева в иерархическом порядке все модули (сборочные единицы), входящие в состав изделия. Для готового проекта выполняется расчет содержания цветных и драгоценных металлов по каждому металлу отдельно и формируются конструкторские документы «расчетные работы». Шаблоны для этих документов должны быть выполнены в соответствии с ГОСТами.
Оптимизация задачи об определении конфликтов с опасными зонами движения летательных аппаратов для выполнения на INTEL XEON PHI
А.А. Рыбаков
Стр. 524 — 528
Во время полета летательный аппарат генерирует вихревой спутный след. Данный след может представлять опасность для других участников воздушного движения, особенно в зонах, в которых одновременно находится большое количество летательных аппаратов. Поэтому задача моделирования вихревых следов и определения конфликтов с ними является крайне важной и востребованной. В данной статье вихревой след рассматривается как совокупность опасных зон отдельных отрезков траектории движения. Опасная зона отдельного отрезка траектории представлена пучком сфер – множеством сфер с центрами на данном отрезке. Далее рассматривается прямой математический метод определения пересечения прямой и пучка сфер. Прямая представляет мгновенную траекторию движения собственного летательного аппарата, тогда как множество пучков сфер формирует полную опасную зону полета. Так как количество отрезков траекторий в опасной зоне достаточно велико, целесообразно использование ускорителей для осуществления вычислений. В статье рассматриваются применение Intel Xeon Phi для данной задачи и использование специального приема ручной оптимизации исходного кода для того, чтобы добиться применения векторизации кода. Такой подход позволяет добиться пятикратного ускорения решения задачи при обсчете около 107 отрезков движения внутри опасной зоны.
Алгоритмы информационной оценки совместимости средств мобильной связи и станций воздушной радионавигационной службы
О.Ю. Вавулов, А.В. Сухов, В.Н. Решетников
Стр. 529 — 536
В современном информационном обществе количество пользователей, нуждающихся в качественной, быстрой и непрерывной мобильной связи, неуклонно растет. В связи с этим усиленно разрабатываются и внедряются новые технологии и стандарты качества в этой области (LTE, 4G). При этом важно учитывать также и возможность электромагнитной совместимости со средствами других служб связи, особенно отвечающих за безопасность, например, воздушной радионавигационной службы. В настоящей работе рассмотрена разработка алгоритма информационной оценки состояния комплекса средств воздушной радионавигационной службы в условиях деструктивного помехового воздействия, оказываемого системами мобильной связи. Математически состояние комплекса средств воздушной радионавигационной службы представлено в информационном пространстве, основанном на информационной мере – энтропии покрытия, которая показывает, насколько реальные характеристики рассматриваемой системы соответствуют своим нормативным значениям. Предложенный метод опробован для оценки помехового воздействия на реальные российские станции воздушной радионавигационной службы, размещенные в приграничном регионе, приведен пример применения алгоритма для оценки совместимости комплекса средств воздушной радионавигационной службы и реальной сети мобильной связи. Предложен алгоритм координации с комплексом средств воздушной радионавигационной службы нового частотного присвоения для единичной базовой станции. Указанный алгоритм основан на расчете напряженности поля суммарной помехи в месте размещения станции воздушной радионавигационной службы от всех станций сухопутной подвижной службы и на сравнении рассчитанного значения с предельно допустимым, заданным для конкретного типа станции воздушной радионавигационной службы.
Комплекс программ для определения параметров электрических дуг трехфазного переменного тока, горящих на горизонтальную поверхность
И.М. Ячиков, Е.М. Костылева
Стр. 537 — 545
В металлургической промышленности эксплуатируется множество агрегатов, в которых в качестве источников тепловой энергии используются электрические дуги, горящие на горизонтальную тепловоспринимающую поверхность. Знание электромагнитных сил, действующих на дуги, их положение и поведение важны при конструировании новых печей и автоматизации их работы. Обзор литературы показывает, что многие вопросы, связанные с электрическими дугами трехфазного переменного тока, освещены недостаточно полно, поскольку на промышленных или опытных установках изучение большинства проблем технически сложно, дорого и часто невыполнимо по самым разным причинам. Возможным направлением исследования является создание адекватных математических моделей, их реализация в виде прикладного ПО и дальнейшее компьютерное моделирование. В данной работе показаны математическое модели и разработанный комплекс программ, включающий в себя модули для определения напряженности магнитного поля, электромагнитных сил, формы дуг и теплового потока вблизи трех дуг трехфазного переменного тока, горящих на горизонтальную поверхность. Результатом работы созданного программного комплекса являются расчет и визуализация векторных полей – напряженности магнитного поля и среднеинтегральных электромагнитных сил, а также визуализация средней за период формы осей столбов электрических дуг и распределение тепловых потоков по горизонтальной тепло-воспринимающей поверхности.
Построение и исследование линейных регрессионных моделей электрической емкости микрослоев магнитных наножидкостей
Т.Ф. Морозова, М.С. Демин, А.С. Морозов
Стр. 546 — 552
В работе представлены результаты синтеза и анализа линейных регрессионных моделей, описывающих экспериментальные исследования электрической емкости ячейки с микрослоем магнитной наножидкости, проведенные при изменении входных параметров (факторов): поляризующего напряжения (0, …, 20 В), объемной концентрации дис- персной фазы (2,3, …, 14,4 %), межэлектродного расстояния (100, …, 200 мкм), температуры слоя (293, …, 368 K). Приведены двухмерные и трехмерные графические зависимости электрической емкости микрослоя магнитной наножидкости в зависимости от входных параметров. Анализ зависимостей показал наличие максимума электрической емкости при температуре ~340 K в исследуемом концентрационном диапазоне. При изменении концентрации дисперсной фазы от 2,3 % до 14,4 % и приложении поляризующего напряжения также имеются характерные максимумы электрической емкости, которые при повышении температуры становятся более выраженными. С увеличением концентрации дисперсной фазы возрастает величина поляризующего напряжения, при котором обнаруживается максимум электрической емкости. Для получения математической модели, связывающей электрическую емкость ячейки с магнитной наножидкостью и ее параметрами (факторами), использовалось ПО для статистического анализа IBM SPSS Statistics. Получены регрессионные модели, учитывающие главные факторы и эффекты от их взаимодействия. Произведен анализ полученных моделей, оценены их погрешности (ошибки аппроксимации). При оценке погрешности рассматривались минимальная, максимальная и средняя погрешности, на основе этих данных делались выводы о целесообразности применения модели. Наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных дала модель, учитывающая эффекты от взаимодействия факторов.