Выпуск 5 (60), 2018: Труды СПИИРАН

Главным предназначением сервисных роботов является помощь людям в непромышленных средах, таких как дома или офисы. Для достижения своей цели сервисные роботы должны обладать несколькими навыками, например распознавание и манипулирование объектом, обнаружение и распознавание лиц, распознавание и синтез речи, планирование задач и одним из самых важных навыков — навигация в динамических средах. В статье описывается полностью внедренная система планирования движения, которая учитывает все: начиная от алгоритмов движения и планирования пути до пространственного представления и активной навигации на основе поведения. Предлагаемая система реализована в бытовом сервисном роботе под названием «Юстина», конструкция которого основана на робототехнической архитектуре под названием «ViRBot», использующейся для контроля действий виртуальных и реальных роботов, которая охватывает несколько уровней абстракции от низкоуровневого управления до символьного планирования. Мы оценили наш проект как в симулированной, так и в реальной среде и сравнили его с классическими реализациями. Для тестов мы использовали карты, полученные из реальных сред (Лаборатория биороботов и Robocup@Home arena), и карты, созданные из препятствий со случайными положениями и формами. Для сравнения использовалось несколько параметров: общее пройденное расстояние, количество столкновений, количество достигнутых целей и средняя исполнительная скорость. Наш проект значительно улучшился как в реальных, так и в симуляционных тестах. Представлены экспериментальные результаты успешно протестированной системы в контексте конкурса RoboCup@Home.

В настоящей статье рассматриваются алгоритмы управления, обеспечивающие согласованное перемещение группы роботов в неопределенной трехмерной среде с препятствиями. Неопределенность среды заключается в наличии априори неизвестных препятствий, часть которых может быть нестационарными. Мобильные роботы группы должны автоматически распределиться в заданной прямоугольной области на плоскости и двигаться в направлении, перпендикулярном указанной области, по возможности сохраняя заданное взаимное расположение. В данной статье предлагаются новые алгоритмы автоматического распределения роботов на плоскости, не предполагающие предварительного назначения места каждого робота. Эта задача решается с применением триангуляции Делоне и дальнейшей оптимизации положения робота. Для коррекции движения отдельного робота и всей группы при сближении с препятствием предложены алгоритмы, базирующиеся на неустойчивых режимах, позволяющих трансформировать препятствия в репеллеры. Рассмотрено два варианта алгоритмов обхода препятствий. В первом варианте используются только неустойчивые режимы, а во втором варианте — гибридный алгоритм, включающий интеллектуальный анализ текущей ситуации и неустойчивый режим движения. Предложенные алгоритмы могут реализовываться децентрализовано. В статье анализируются два варианта алгоритмов группового управления, а также выполняется численное моделирование группы из 5 гексакоптеров в неопределенной среде с неподвижными и подвижными препятствиями. Также приведены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность предлагаемых алгоритмов на примере полета двух гексакоптеров в среде с неподвижным препятствием. Разработанные алгоритмы могут применяться в системах управления мобильными роботами при их групповом движении в неопределенных 3-D средах.

Предлагается конструктивный метод многокритериальной оптимизации процессов управления детерминированными и не полностью определенными управляемыми системами с распределенными параметрами, описываемыми линейными многомерными уравнениями в частных производных параболического типа с внутренними и граничными управляющими воздействиями в условиях заданной точности приближения конечного состояния объекта к требуемому пространственному распределению управляемой величины. Предлагаемый в статье подход базируется на однокритериальной версии в виде минимаксной свертки нормализуемых критериев качества и последующем переходе к эквивалентной форме типовой вариационной задачи с ограничениями. Анализ проводится применительно к детерминированной модели объекта, описываемой бесконечной системой дифференциальных уравнений относительно временных мод разложения управляемой величины в ряд по собственным функциям начально-краевой задачи. Дальнейшие процедуры предварительной параметризации управляющих воздействий на основе аналитических условий оптимальности и редукции к задачам полубесконечного программирования позволяют найти искомые экстремали с использованием их чебышёвских свойств и фундаментальных закономерностей предметной области в типичных для приложений условиях оценки в равномерной метрике точности приближения конечного состояния объекта к требуемому. Полученные результаты распространяются на задачи программного управления по принципу гарантированного результата ансамблями траекторий движения объекта в условиях интервальной неопределенности параметрических характеристик распределенной системы и множественных внешних возмущений. Приводится представляющий самостоятельный интерес пример решения предлагаемым методом задачи многокритериальной оптимизации передовой технологии индукционного нагрева металлических полуфабрикатов перед последующей обработкой давлением. В качестве компонент векторного критерия оптимизации рассматриваются расход энергии на нагрев, потери металла на термохимические взаимодействия и точность достижения заданной конечной температуры нагрева.

Объектами данного исследования являются существующие и перспективные информационные технологии, формирующие основу концепций «Индустрия 4.0» и кибер-физических систем (КФС), и соответствующие предприятия, на которых они внедряются. В статье в качестве примеров таких предприятий рассматриваются транспортно-логистические и промышленные предприятия. Цель проведенных исследований состоит в анализе влияния интеллектуальных информационных технологий (ИИТ), разрабатываемых в рамках проектов «Индустрия 4.0» и соответствующих кибер-физических систем, на изменения принципов и способов управления указанными предприятиями в настоящее время и в ближайшем будущем. В статье на конкретных практических примерах проводится иллюстрация происходящих изменений, вызванных внедрением ИИТ. Анализ литературы и практических примеров Индустрии 4.0 показал, что наряду с развитием информационных и инженерных технологий Индустрии 4.0 в экономической части управления транспортно-логистическими и промышленными предприятиями отсутствует четкое понимание и описание бизнес-моделей, в рамках которых эти технологии могут применяться. Проанализированные примеры из практики позволяют сделать вывод, что технологии Индустрии 4.0 и киберфизических систем используются контекстно в виде лишь ограниченного набора той или иной функциональности. Основная же идея Индустрии 4.0 и КФС — создание самоорганизующихся и самоадаптирующихся динамических сетевых структур поставок на протяжении всего жизненного цикла изделий для реализации максимально гибкого индивидуального производства с затратами массового поточного производства — на данный момент реализована лишь в ряде исследовательских проектов. В статье предложена оригинальная интерпретация сервис-ориентированного подхода к описанию и решению задач оценивания и выбора эффективных стратегий использования ИИТ на существующих и перспективных предприятиях. Данная интерпретация базируется на разрабатываемой авторами статьи теории управления структурной динамикой сложных объектов.

В настоящей статье представлен подход к извлечению робастного водяного знака из изображений, содержащих текст. Извлечение данных основано на разработаном подходе к внедрению робастного водяного знака в текстовые данные, отличающегося устойчивостью к преобразованию текстовых данных в формат изображения. Проведен сравнительный анализ существующих подходов к стеганографическому внедрению информации в текстовые данные, определены их достоинства и недостатки. Обоснован выбор группы методов стеганографического внедрения информации, основанных на форматировании текста. В качестве алгоритма встраивания выбран подход на основе изменения величины межстрочных интервалов. Приведены блок-схема и описание разработанного алгоритма встраивания информации в текстовые данные. Осуществлена экспериментальная оценка емкости встраивания и границ перцептивной невидимости встроенных данных. На основе существующих ограничений разработан подход к извлечению встроенной информации из изображений, содержащих робастный водяной знак. Базовым в процедуре извлечения встроенной информации выбрано преобразование Радона, позволяющее извлекать значения величин межстрочных интервалов. Для выделения значений битов встроенной информации был выбран подход на основе разделения смеси нормальных распределений, поскольку полученное распределение является бимодальным. Экспериментально установлены границы применимости, а также дана оценка робастности разработанного подхода встраивания к осуществлению различных преобразований. Определены следующие параметры робастности разработанного подхода к осуществлению преобразований: поворот изображения, содержащего встроенные данные на любой угол, масштабирование изображения с множителем масштабирования не превыщающим 1,5; преобразование в любой формат растрового изображения; применение медианного фильтра к изображению с пределом ядра свертки не более 9, гауссовского фильтра размытия -- с пределом показателя размытия не более 8 и усредненного фильтра с пределом ядра свертки не более 5.

В статье рассматривается оптимизация процедуры тоновой аппроксимации полутоновых (например, в палитре серого цвета) изображений. Процедура тоновой аппроксимации подразумевает сокращение в палитре аппроксимированного изображения количества используемых тонов по сравнению с количеством тонов в палитре исходного изображения. Оптимизация этой процедуры заключается в минимизации потери качества передачи графической информации, которая оценивается суммарным или усредненным по изображению отклонением тонов координатно-идентичных пикселей аппроксимированного изображения от тонов исходного. В качестве инструмента оптимизации предлагается гибридный алгоритм, который совмещает эвристический и детерминированный алгоритмы поиска наилучшей по критерию минимизации ошибки аппроксимации структуры аппроксимирующей палитры. Эвристический алгоритм реализован на основе эволюционно-генетической парадигмы. Его задачей является поиск области тоновых структур аппроксимирующей палитры, максимально близких к оптимальной. Цель детерминированного алгоритма направленного перебора — найти ближайший к полученному предыдущим поиском результату экстремум критерия качества аппроксимации. Эвристический алгоритм, как более быстродействующий, нацелен на оперативное сокращение области поиска, а детерминированный, как более затратный, — на нахождение хотя бы локального экстремума (а, возможно, и глобального) по максимально сокращенному предыдущим алгоритмом пути. Совместная работа этих алгоритмов позволяет обеспечить процессу тоновой аппроксимации эффект оптимизации, названный в статье дуальной. Под этим термином подразумевается получение результата, при котором достигается экстремум критерия качества аппроксимации при минимизации времени его достижения. Описываемое в статье исследование посвящено повышению результативности гибридного алгоритма на эвристическом этапе, в качестве которого используется модифицированный эволюционно-генетический алгоритм. Рассматриваются перспективы разработки и оценки эффективности внедрения модели параллельного использования алгоритмов с различными параметрами настройки. Обсуждаются первичные эксперименты, а их результаты сравниваются с известным алгоритмом решения поставленной задачи.

Процесс создания учебного контента требует не только сбора и представления информации. Для того чтобы приобрести знания, учебный контент должен быть разработан таким образом, чтобы соответствовать заранее определенным целям обучения. Цели обучения определяют весь процесс обучения. Таксономия Блума описывает когнитивный процесс с шестью иерархическими уровнями, каждый из которых содержит определенную цель обучения. Он может быть адаптирован к модели, посредством которой преподаватели подготавливают учебные материалы. Однако когда дело доходит до продуктивности обучения, важно учитывать персонализацию представленного контента в соответствии со стилем обучения человека. В этой статье анализируется взаимосвязь между таксономией Блума и циклом обучения Хони и Мамфорда, что позволяет связать структуру учебного материала с личными предпочтениями учащихся. Этот новый способ создания учебных материалов интегрирован в модель, которая используется для автоматической генерации персонализированных учебных материалов. Эффективность модели дополнительно подтверждается экспериментом с реальными участниками. Результаты эксперимента показывают многообещающий потенциал расширения возможностей учащегося. Однако, при эксперименте и других работах над моделью, возникают некоторые проблемы относительно применения модели и последующей работы.

Современные системы преобразования текста в речь обычно обеспечивают хорошую разборчивость. Одним из главных недостатков этих систем является отсутствие выразительности по сравнению с естественной человеческой речью. Очень неприятно, когда автоматическая система передает утвердительные и отрицательные предложения совершенно одинаково. Введение параметрических методов в синтезе речи дало возможность легко изменять характеристики говорящего и стили речи. В этой статье представлен простой способ включения стилей в синтезированную речь, используя стилевые коды. Предлагаемый метод требует всего лишь пару минут заданного стиля, чтобы смоделировать нейтральную речь. Он успешно применяется как в скрытых марковских моделях, так и в синтезе на основе глубоких нейронных сетей, предоставляя стилевой код как дополнительный вклад в модель. Аудирование подтвердило, что наибольшая выразительность достигается за счет синтеза глубоких нейронных сетей по сравнению с синтезом скрытых марковских моделей. Также доказано, что качество речи, синтезированное глубокими нейронными сетями в определенном стиле, сопоставимо с речью, синтезированной в нейтральном стиле, хотя база данных нейтральной речи примерно в 10 раз больше. Глубокие нейронные сети на основе синтеза речи по тексту со стилевыми кодами изучаются путем сравнения качества речи, создаваемой системами одностилевого моделирования и многостилевого моделирования. Объективные и субъективные измерения подтвердили, что между этими двумя подходами нет существенной разницы.

В статье представлен краткий исторический очерк исследования эффективности целенаправленных процессов функционирования систем, выполнен обзор некоторых актуальных задач исследования операционных свойств, решаемых за рубежом. На основе анализа особенностей исследования эффективности целенаправленных процессов функционирования систем и ряда других операционных свойств отечественными и зарубежными авторами сделан вывод об актуальности решения современных задач исследования операционных свойств на основе аналитического оценивания их показателей. Описаны новые направления исследований операционных свойств систем и процессов их функционирования, таких как потенциал систем и операционные свойства использования информационных технологий. Приведены особенности совершенствуемых систем и процессов их функционирования, а также роль информационных технологий при функционировании совершенствуемых систем. Описаны особенности целенаправленных изменений систем и переходных процессов при функционировании совершенствуемых систем. Объяснена роль информационных технологий при изменениях функционирования систем. Полученные результаты позволили исследовать операционные свойства совершенствуемых систем и использования информационных технологий. Предложены примеры моделей формирования эффектов функционирования совершенствуемой системы. Модели разработаны с учетом реализации информационных и неинформационных действий при функционировании такой системы. Для унифицированного оценивания показателей операционных свойств предложен метод аналитического оценивания, который основан на применении последовательности вводимых унифицированных схем оценивания. Предложена последовательность из трех таких схем, позволяющая оценить все описанные операционные свойства. Раскрыты особенности оценивания с использованием предложенных схем. Полученные результаты должны позволить перейти к решению задач исследования на математических моделях. Полученные результаты проиллюстрированы на примере расчета показателей операционных свойств использования информационных технологий.