Информатика и автоматизация

Композиционный подход к имитационному моделированию систем массового обслуживания со случайными параметрами

Владимир Анатольевич Гончаренко — 2024-11-07

Обоснован общий подход к моделированию случайных процессов обслуживания в условиях возмущений и неопределенности исходных данных. Предложен композиционный подход построения имитационных моделей массового обслуживания с параметрической неопределенностью на основе распределений фазового типа и фазовых функций. Проведены расчет и сравнение характеристик разработанных имитационных моделей с аналитическими решениями для подтверждения их эффективности и точности. Освещена проблематика неопределенности исходных данных и их влияние на моделирование систем обслуживания. Подчеркивается важность учета параметрической неопределенности в имитационных моделях для повышения их адекватности и применимости на практике. Проведенное исследование включает описание общего подхода к моделированию случайных процессов обслуживания с неопределенностью, а также методологические основы применения фазовых распределений и функций в композиционном моделировании. Рассмотрены четыре класса моделей обслуживания, отличающихся типом интегрального ядра и фазовой функции, что позволяет реализовать разнообразие случайных процессов обслуживания с учетом их особенностей и условий их возникновения. Проведен анализ модели с экспоненциальным интегральным ядром и различными видами фазовых функций, что демонстрирует гибкость и широкие возможности предложенного композиционного подхода к изучению и моделированию систем обслуживания. Представлены результаты имитационного моделирования, подтверждающие аналитические исследования и показывающие применимость и эффективность разработанного подхода при построении и анализе моделей систем обслуживания со случайными параметрами. Отмечается практическая значимость композиционного метода для проектирования и модернизации информационно-вычислительных систем на различных этапах их развития с учетом неопределенности исходных данных. Рассмотрены примеры расчета характеристик элементов архитектуры АСУ железнодорожного транспорта обработки информации в среде имитационного моделирования GPSS World для сетевого узла и сетевой модели массового обслуживания сегмента. Работа ориентирована на развитие методов имитационного моделирования систем массового обслуживания и открывает новые перспективы для их исследования и оптимизации в условиях неопределенности исходных параметров.

Исследование вариантов построения информационно-управляющих систем на основе сетевых моделей систем массового обслуживания

Сергей Зосимович Куракин — 2024-11-07

Одним из направлений дальнейшего совершенствования и повышения эффективности применения технических объектов при решении ими целевых задач является применение информационно-управляющих систем (ИУС) для управления сложными техническими объектами. Существующие современные ИУС представляют собой комплекс аппаратно-программных средств, предназначенных для сбора, обработки и хранения информации и управления. В условиях наличия большого количества информации, противоречивых факторов, влияющих на качество управления, принятие обоснованных и своевременных решений в процессе управления невозможно без применения ИУС. Разрабатываемые ИУС, как правило, являются специализированными системами и проектируются для решения конкретных задач. В связи с этим разработка и проектирование ИУС должны проводиться с учетом взаимосвязи с целевыми показателями и особенностями объектов управления, а также результатами всестороннего анализа информации о параметрах ИУС, влияющих на показатели их эффективности. Использование математических моделей для исследования вариантов построения ИУС является основой проектирования и разработки устройств и подсистем ИУС. Разрабатываемые в настоящее время модели ИУС, как правило, позволяют проводить исследования для одностадийных процессов управления с наличием в системе однотипных объектов обслуживания. В то же время современные технические объекты и системы управления представляют собой сложные комплексы с циклически повторяющимися процессами управления разнотипными средствами. Как правило, в таких комплексах имеется набор параллельно работающих устройств (каналов управления), обеспечивающих управление разнотипных объектов на различных стадиях обработки информации. В этом случае структуру ИУС необходимо представлять в виде многофазной многоканальной технической системы, в которой происходит процесс одновременного управления несколькими объектами различных типов. В связи с этим целью статьи является разработка и исследование математической модели ИУС с двумя фазами обработки и наличием определенного количества обслуживающих разнотипных устройств. Основой модели является многофазная сетевая модель системы массового обслуживания. Исследование модели позволяет выбрать вариант построения ИУС, в частности выбрать оптимальное количество каналов обработки для различных типов объектов по критерию оптимальности с учетом ограничений по стоимости и времени обслуживания. Разработан алгоритм выбора варианта построения ИУС и приведен пример расчета количества каналов обработки в двухфазной системе при управлении тремя типами объектов.

Решение задач перебора путей в сложных графах

Виктор Николаевич Куделя — 2024-11-07

Моделирование различных систем связано с перебором значений параметров элементов структуры и учетом всех характеристик функционирования и взаимодействия компонентов для нахождения определенного набора решений, определяющих конфигурацию системы. Такие задачи относятся к задачам переборного типа и подразумевают, что некоторое количество очередных решений из этого набора получается из предыдущего решения в определенном порядке. Известно, что достаточно большое количество задач переборного типа решается только методами полного перебора и других методов для их точного решения пока не существует. В статье представлен новый метод перебора путей в графе – метод трансформации узлов-графов. По предварительной оценке, предложенный метод, в отличие от существующих, позволяет значительно быстрее осуществлять поиск всех простых путей в ориентированном графе произвольной структуры. В известных методах перебора в графе (Breadth First Search и Depth First Search) объектом перебора является путь. Всё количество таких путей в графе определяет размер пространства перебора. Основная идея метода трансформации узлов-графов заключается в значительном уменьшении размера пространства перебора за счет укрупнения объектов перебора. Укрупнение объектов перебора осуществляется кластеризацией путей в комбинаторные объекты, объединяющие по определенному регламенту некоторое множество путей одинаковой длины. Такие комбинаторные объекты названы узлами-графами. Узел-граф относится к центрально-периферическим комбинаторным объектам и для перебора всех путей в графе разработаны специфические операции преобразования узлов-графов, которые позволяют найти следующие пути на основе предыдущих. Метод может использоваться как базовый инструментарий для уменьшения размерности пространства поиска решений NP-полных задач, сохраняя универсальность и точность перебора.

Вычислительная технология построения каскадных моделей магнитогидродинамической турбулентности

Глеб Михайлович Водинчар — 2024-11-07

В работе рассматривается вычислительная технология построения одного вида моделей мелкомасштабной магнитогидродинамической турбулентности – каскадных моделей (shell models). Любая такая модель является системой обыкновенных квадратично-нелинейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Каждая фазовая переменная интерпретируется по абсолютной величине как мера интенсивности одного из полей турбулентной системы в определенном диапазоне пространственных масштабов (масштабной оболочке). Уравнения любой каскадной модели должны обладать несколькими квадратичными инвариантами, которые являются аналогами законов сохранения в идеальной магнитогидродинамике. Вывод уравнений модели заключается в получении таких выражений для постоянных коэффициентов, при которых наперед заданные квадратичные выражения действительно будут инвариантами. Вывод этих выражений вручную является достаточно громоздким и вероятность ошибок в формульных преобразованиях велика. Особенно это касается нелокальных моделей, в которых могут взаимодействовать далекие по величине масштабные оболочки. Новизна и оригинальность работы состоит в том, что авторами предложена вычислительная технология, которая позволяет автоматизировать процесс вывода уравнений каскадных моделей. Технология реализована с использованием методов компьютерной алгебры, что позволило получать параметрические классы моделей, в которых инвариантность заданных квадратичных форм выполняется абсолютно точно – в формульном виде. Определение значений параметров в полученном параметрическом классе моделей далее выполняется за счет согласования мер взаимодействия оболочек в модели с вероятностями их взаимодействия в реальной физической системе. Идея описанной технологии и ее реализация принадлежит авторам. Отдельные ее элементы публиковались авторами ранее, однако в настоящей работе впервые дается ее систематическое описание для моделей с комплексными фазовыми переменными и согласованием мер взаимодействия оболочек с вероятностями. Аналогичных работ других авторов ранее не было. Технология позволяет быстро и безошибочно генерировать уравнения новых нелокальных каскадных моделей турбулентности и может быть полезна специалистам, занимающимся моделированием турбулентных систем.

Повышение достоверности выявления аномалий на изображениях при формировании их векторов признаков в базисах вейвлетов

Сергей Викторович Дворников — 2024-11-07

Предложен способ обнаружения спасательных плотов и шлюпок в акватории морей и океанов после кораблекрушений, основанный на распознавании аномалий на обрабатываемых изображениях, что увеличивает вероятность распознавания объектов мониторинга. Обоснован подход к решению такой задачи. Представлена постановка задачи распознавания объектов с позиций бинарной классификации при обнаружении аномалий. Получено аналитическое выражение для алгоритма принятия решения. Рассмотрена возможность формализации матриц изображений в виде гистограмм распределений интенсивности цветности (яркости). Оценена контрастность признакового пространства на их основе. Предложено повысить контрастность признаковых пространств за счет вторичной обработки гистограмм распределений в базисе кратномасштабной вейвлет-декомпозиции. Рассмотрена возможность реализации вейвлет-преобразований на основе функций Хаара и вейвлетов Гаусса 1-го и 2-го порядков. Обоснован механизм формирования вторичных векторов признаков из трехмерных вейвлет-преобразований, путем усреднения их коэффициентов по оси временного сдвига. Показано, что при одинаковой размерности гистограмм распределения яркости с вновь формируемыми векторами признаков, последние обеспечивают более высокую контрастность признаковых пространств. Рекомендовано для формализации изображений в формате jpeg использовать вейвлет Гаусса 2-го порядка, обеспечивающий при прочих равных условиях большую величину различий для изображений, содержащих аномалии. Разработан подход к вероятностной оценке алгоритма автоматического распознавания изображений. Получено аналитическое выражение и обоснованы его составляющие элементы. Приведены графические зависимости вероятности правильного обнаружения (распознавания) аномалий, в зависимости от размеров по отношению к общей площади кадра и дисперсии подстилающего фона. Представлены результаты эксперимента по распознаванию изображений со спасательной шлюпкой в акватории океана. Определены направления дальнейших исследований.

Подходы к оцениванию кумулятивных характеристик поведения в группах разнородных индивидов: точность и применимость в условиях ограниченных наблюдений

Валерия Фуатовна Столярова — 2024-11-07

В ряде социоориентированных областей знаний возникает задача оценки кумулятивных характеристик поведения индивидов, таких как частота, которые реализуются в группах индивидов, причем поступающие данные сопряжены с неопределенностью. Нередки ситуации ограниченных данных, когда для небольшого числа наблюдаемых объектов известны лишь несколько эпизодов. Существуют несколько подходов, позволяющих строить оценки искомой кумулятивной характеристики в условиях ограниченных ресурсов: классический подход регрессии Кокса, оценка параметра копулы, апостериорный вывод в байесовских сетях доверия, классических и гибридных, однако до сих пор не были проанализированы возможности применимости имеющихся методов. Целью работы является анализ особенностей применения существующих методов косвенного оценивания интенсивности рискованного поведения индивидов на основе ограниченных данных об эпизодах для определения рекомендаций по их применению: определение точности оценок, получаемых с помощью перечисленных подходов, на основе расстояния Канторовича–Рубинштейна от истинного распределения искомой частоты, а также выявление требований к данным, которые предъявляются для построения оценок. Было показано, что подход на основе копул дает самые точные оценки и обладает наименьшими требованиями к количеству наблюдаемых объектов, однако не может учитывать внешние факторы, которые могут оказывать влияние на реализацию эпизодов поведения. Среди моделей, позволяющих учитывать коварианты процесса, наибольшей точностью обладают оценки, опирающиеся на апостериорный вывод в гибридных байесовских сетях доверия. Полученные результаты являются новыми, они нацелены на применение в автоматизированных системах обработки информации о поведении индивидов. Практической значимостью обладают рекомендации по применению имеющихся подходов в зависимости от имеющихся данных.

Усовершенствованная система машинного обучения для автономного обнаружения депрессии с использованием модулированного вейвлет-кепстрального слияния и стохастического встраивания

Джитин Джейкоб — 2024-11-07

Депрессия – это распространенное психическое заболевание, требующее систем автоматического обнаружения из-за своей сложности. Существующие методы машинного обучения сталкиваются с проблемами, такими как чувствительность к фоновому шуму, медленная скорость адаптации и несбалансированные данные. Для устранения этих ограничений в этом исследовании предлагается новая структура модулированного вейвлет-кепстрального слияния и стохастическая структура встраивания для прогнозирования депрессии. Затем техника модулированных волновых функций удаляет фоновый шум и нормализует аудиосигналы. Трудности с обобщением, которые приводят к отсутствию интерпретируемости, затрудняют извлечение соответствующих характеристик речи. Для решения этих проблем используется автоматическое кепстральное слияние, которое извлекает соответствующие характеристики речи, захватывая временные и спектральные характеристики, вызванные фоновым голосом. Выбор признаков становится важным, когда выбираются релевантные признаки для классификации. Выбор нерелевантных признаков может привести к переобучению, нарушению размерности и меньшей устойчивости к шуму. Поэтому метод стохастической иммерсии справляется с высокоразмерными данными, минимизируя влияние шума и размерности. Кроме того, классификатор XGBoost отличает людей с депрессией и людей без депрессии. В результате предложенный метод использует набор данных DAIC-WOZ Университета Южной Калифорнии для обнаружения депрессий, достигая точности 97,02%, прецизионности 97,02%, полноты 97,02%, оценки F1 97,02%, среднеквадратической ошибки 2,00 и средней абсолютной ошибки 0,9, делая его многообещающим инструментом для автономного обнаружения депрессии.

Пофонемное распознавание как задача классификации рядов на множестве последовательностей элементов сложных объектов с применением усовершенствованного trie-дерева

Галина Владимировна Дорохина — 2024-11-07

Последовательности, в том числе последовательности векторов, применимы в любых предметных областях. Последовательности скалярных значений или векторов (ряды) могут быть порождены последовательностями более высокого порядка, например: последовательностями состояний, элементов сложных объектов. Работа посвящена применению усовершенствованного trie-дерева в задаче классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов методом динамического программирования. Рассмотрены сферы применения динамического программирования. Показано, что динамическое программирование приспособлено к многошаговым операциям вычисления аддитивных (мультипликативных) мер подобия / различия. Утверждается, что усовершенствованное trie-дерево применимо в задаче классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов методом динамического программирования при использовании таких мер подобия / различия. Выполнен анализ иерархических представлений множеств последовательностей. Описаны преимущества, которые обеспечивает усовершенствованное trie-дерево по сравнению с традиционными представлениями других сильноветвящихся деревьев. Разработано формальное описание усовершенствованного trie-дерева. Дано пояснение ранее полученным данным о существенном приросте скорости операций добавления и удаления последовательностей в усовершенствованном trie-дереве относительно использования массива с индексной таблицей (24 и 380 раз, соответственно). Выполнена постановка задачи пофонемного распознавания речевых команд как задачи классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов и изложен метод её решения. Разработан метод классификации ряда на множестве последовательностей элементов сложных объектов с применением усовершенствованного trie-дерева. Он исследован на примере пофонемного распознавания с иерархическим представлением словаря классов речевых команд. В этом методе распознавание речевых команд выполняют в процессе обхода усовершенствованного trie-дерева, хранящего множество транскрипций речевых команд – последовательностей транскрипционных символов, которые обозначают классы звуков. Численные исследования показали, что классификация ряда как последовательности элементов сложных объектов повышает частоту правильной классификации по сравнению с классификацией ряда на множестве рядов, а применение усовершенствованного trie-дерева сокращает затраты времени на классификацию.

Индексное регулируемое глубокое нейронное обучение Ружички для ресурсоэффективной балансировки нагрузки в облачной среде

М. Эллаккия — 2024-11-07

Облачные вычисления (CC) являются известной технологией, которая позволяет пользователям и организациям получать доступ к сервисам в соответствии с их требованиями. Этот метод вычислений предлагает хранилище, платформы развертывания и подходящий доступ к веб-сервисам через интернет. Балансировка нагрузки является важным фактором оптимизации вычислительных ресурсов и хранения. Она направлена на разумное распределение рабочей нагрузки между каждой виртуальной машиной. Было разработано несколько традиционных методов балансировки нагрузки, которые доступны в литературе. Однако достижение эффективной балансировки нагрузки с минимальным временем завершения и улучшенной пропускной способностью остается сложной задачей. Для повышения эффективности балансировки нагрузки был разработан новый метод, известный как индексированный регулируемый метод Ружички балансировки нагрузки глубокого нейронного обучения (RITLBDNL). Основная цель RITLBDNL состоит в том, чтобы повысить пропускную способность и минимизировать время выполнения работы в облаке. В методе RITLBDNL модель глубокого нейронного анализа включает входной слой, два скрытых слоя и выходной слой для улучшения производительности балансировки нагрузки. На входном слое собираются задачи пользователей облака и отправляются на скрытый слой 1. На этом слое балансировщик нагрузки в облачном сервере анализирует состояние ресурсов виртуальной машины в зависимости от энергии, пропускной способности, объема памяти и ЦПУ с использованием индекса сходства Ружички. Затем виртуальные машины классифицируются как перегруженные, слабо загруженные или сбалансированные. Результаты анализа передаются на скрытый слой 2, где выполняется регулируемая балансировка нагрузки для распределения нагрузки с сильно загруженных виртуальных машин на минимально загруженные. Облачный сервер эффективно распределяет рабочую нагрузку между виртуальными машинами с более высокой пропускной способностью и меньшим временем отклика для обработки огромного количества входящих задач. Для оценки результатов экспериментов предложенный метод сравнивается с другими существующими методами балансировки нагрузки. Результат показывает, что предложенный метод RITLBDNL обеспечивает эффективность балансировки нагрузки с увеличением на 7%, пропускной способностью на 46%, уменьшением времени завершения на 41% и времени отклика на 28% по сравнению с традиционными методами.

Синергетические подходы к улучшению обнаружения вторжений в Интернет вещей (IoT): балансировка характеристик с помощью комбинированного обучения

Чоккапу Нараянарао — 2024-11-07

Интернет вещей (IoT) играет важную роль в обеспечении безопасности, предотвращая несанкционированный доступ, заражения вредоносным ПО и злонамеренные действия. IoT отслеживает сетевой трафик, а также поведение устройств для выявления потенциальных угроз и принятия соответствующих мер противодействия. Тем не менее, существует потребность в системе обнаружения вторжений (IDS) IoT с улучшенными возможностями обобщения, использующей глубокое обучение и передовые методы обнаружения аномалий. В этом исследовании представлен инновационный подход к IoT IDS, который сочетает в себе SMOTE-Tomek и BTLBO, CNN с XGB классификатором, который направлен на устранение дисбаланса данных, повышение производительности модели, снижение количества неправильных классификаций и улучшение общего качества набора данных. Предложенная система обнаружения вторжений IoT, используя набор данных IoT-23, достигает 99,90% точности и низкого уровня ошибок, требуя при этом существенно меньше времени выполнения. Эта работа представляет собой значительный шаг вперед в области безопасности IoT, предлагая надежное и эффективное решение IDS, адаптированное к меняющимся проблемам взаимосвязанного мира.

Классификация изображений вредоносных программ без использования сверток с использованием механизмов внутреннего внимания

Хуэйяо Дун — 2024-11-07

Анализ вредоносных программ является важнейшим аспектом кибербезопасности, направленным на выявление и дифференциацию вредоносного ПО от безвредных программ для защиты компьютерных систем от угроз безопасности. Несмотря на достижения в мерах кибербезопасности, вредоносные программы продолжают представлять значительные риски в киберпространстве, требуя точных и быстрых методов анализа. В этой статье представлен инновационный подход к классификации вредоносных программ с использованием анализа изображений, включающий три ключевых этапа: преобразование кодов операций в данные изображений RGB, использование генеративно-состязательной сети (GAN) для синтетической передискретизации и использование упрощенного классификатора на основе визуального трансформера (ViT) для анализа изображений. Данный метод повышает богатство функций и объяснимость с помощью данных визуальных изображений и устраняет несбалансированную классификацию с использованием методов передискретизации на основе GAN. Предложенная структура сочетает в себе преимущества сверточных автоэнкодеров, гибридных классификаторов и адаптированных моделей ViT для достижения баланса между точностью и вычислительной эффективностью. Как показали эксперименты, наш подход без использования сверток обладает превосходной точностью и прецизионностью по сравнению со сверточными моделями и превосходит модели CNN на двух наборах данных благодаря механизму многоголового внимания. На наборе данных Big2015 наша модель превосходит другие модели CNN с точностью 0,8369 и площадью под кривой (AUC) 0,9791. В частности, наша модель достигает точности 0,9697 и оценки F1 0,9702 на MALIMG, что является экстраординарным результатом.

Улучшение обнаружения аномалий на видео с помощью усовершенствованной технологии UNET и техники каскадного скользящего окна

Шридеви Р. Кришнан — 2024-11-07

Обнаружение аномалий на видео с помощью компьютерного зрения все еще нуждается в совершенствовании, особенно при распознавании изображений с необычными движениями или объектами. Современные подходы в основном сосредоточены на методах реконструкции и прогнозирования, а обнаружение аномалий на видео без наблюдения сталкивается с трудностями из-за отсутствия достаточного количества помеченных аномалий, что снижает точность. В этой статье представлена новая структура под названием усовершенствованная UNET (I-UNET), разработанная для противодействия переобучению путем удовлетворения потребности в сложных моделях, которые могут извлекать малозаметную информацию из аномалий на видео. Видеошум можно устранить путем предварительной обработки кадров фильтром Винера. Более того, система использует сверточные слои долго-кратковременной памяти (ConvLSTM) для плавной интеграции временных и пространственных данных в свои части энкодера и декодера, улучшая точность идентификации аномалий. Последующая обработка осуществляется с использованием техники каскадного скользящего окна (CSWT) для идентификации аномальных кадров и генерации оценок аномалии. По сравнению с базовыми подходами, экспериментальные результаты на наборах данных UCF, UCSDped1 и UCSDped2 демонстрируют заметные улучшения производительности, с точностью 99%, площадью под кривой (AUC) 90,8% и равным уровнем ошибок (EER) 10,9%. Это исследование предоставляет надежную и точную структуру для обнаружения аномалий на видео с наивысшим уровнем точности.

Памяти Юсупова Рафаэля Мидхатовича

2024-11-07

7 ноября 2024 года, на 91-м году ушел из жизни Рафаэль Мидхатович Юсупов – выдающийся ученый в области информатики, информационных технологий и теории управления, основатель и руководитель научных школ по теоретическим основам информатизации общества и по теории чувствительности сложных информационно-управляющих систем, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, руководитель научного направления СПИИРАН Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра Российской академии наук, директор СПИИРАН (1991-2018 гг.), главный редактор журнала «Информатика и автоматизация».