Выпуск 6 (61), 2018: Труды СПИИРАН

Математические модели земной системы служат мощным и эффективным инструментом, используемым для изучения поведения процессов, протекающих в сферических оболочках нашей планеты, в прошлом, настоящем и для прогнозирования их в будущем, учитывая внешние воздействия. Качество моделирования и прогнозирования природных процессов с применением соответствующих математических моделей в значительной степени зависит от информации об исходном состоянии рассматриваемой системы. Данная информация является результатом измерений, осуществляемых на сети наблюдательных станций и с помощью средств дистанционного зондирования. Поскольку развитие средств наблюдения является очень дорогостоящим мероприятием, представляется очень важным иметь возможность оценивать эффективность как существующей так и планируемой наблюдательной сети. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы, с одной стороны, рассмотреть подход, основанный на сопряженных уравнениях, позволяющий оценивать влияние различных наблюдений на точность прогнозирования эволюции основных компонентов земной системы (атмосферы и океана) и, с другой стороны, проиллюстрировать применение этого подхода на примере двух хаотических малопараметрических динамических систем и глобальной модели ACCESS (моделирование австралийского климата и земной системы), используемой в Австралийском метеорологическом бюро для моделирования и прогнозирования погоды и климата. Результаты численных экспериментов демонстрируют высокие возможности метода сопряженных уравнений, который позволяет ранжировать измерительную информацию, получаемую с помощью различных технических средств, по степени ее важности, а также оценить влияние наблюдений на качество прогнозов.

В настоящее время создаются и постепенно наращиваются орбитальные группировки космических аппаратов с возможностью приема, обработки и ретрансляции сигналов системы ADS-B (от англ. «Automatic Dependent Surveillance — Broadcast» — автоматическое зависимое наблюдение — широковещание), обеспечивающие глобальность и непрерывность наблюдения за воздушным движением. В соответствии с концепцией использования технологии ADS-B каждый участник воздушного движения передает в широковещательном режиме свои идентификационные данные, местоположение, и параметры состояния. Так как при разработке системы не предполагалось принимать сигналы на борту космического аппарата, существуют определенные проблемы, связанные с их энергетической доступностью, наличием коллизий сообщений от разных источников, влиянием эффекта Доплера и другими факторами. Разработана имитационная модель системы наблюдения за воздушным движением на основе приема сигналов, содержащих идентификационную и навигационную информацию и передающихся по радиоканалу в широковещательном режиме. Программно реализованные алгоритмы имитационного моделирования позволяют задавать различные ограничения и допущения (используя различные модели распределения источников излучений, пунктов приема сигналов авиационных систем связи, канала передачи информации, распределения частоты и длительности сигналов) и получать оценки целевых показателей функционирования космических и наземных систем обеспечения безопасности движения воздушных судов с учетом различных пространственных и энергетических факторов и условий распространения радиосигналов, а также реального размещения контролируемых объектов и динамики их движения в мировом воздушном пространстве. Приведены методики и примеры использования имитационной модели для расчета целевых показателей функционирования космических и наземных систем авиационного наблюдения.

Рассматривается задача гарантированного перевода нелинейной динамической системы, подверженной неконтролируемым помехам, за конечное время в положение, где заданная часть фазовых переменных равна нулю. Эта задача относится к задачам частичного (по отношению к части переменных) управления. Помехи не имеют каких-либо статистических описаний. Управления формируются по принципу обратной связи и удовлетворяют заданным «геометрическим» ограничениям. Для решения указанной задачи используется метод линеаризующей обратной связи, позволяющий свести решение рассматриваемой нелинейной задачи управления к решению соответствующих линейных игровых антагонистических задач (с нефиксированным временем окончания). Приводятся конструктивно проверяемые достаточные условия, обеспечивающие гарантированное решение рассматриваемой задачи для заданной области начальных значений фазовых переменных. В отличие от ранее выполненных работ, посредством обратной связи линеаризуется более общий класс нелинейных управляемых систем, для которого допускаются оценки некоторой части переменных, и управление может осуществляться по отношению к бóльшей части переменных. В качестве примера изучается случай, когда рассматриваемая нелинейная управляемая система описывает пространственный разворот асимметричного твердого тела при управлении посредством моментов внутренних сил, создаваемых двигателями-маховиками. В этом случае система включает динамические уравнения Эйлера и кинематические уравнения в переменных Родрига – Гамильтона, описывающие вращательное движение основного тела, а также уравнения вращения маховиков. Рассматриваются две задачи гарантированного пространственного разворота тела при неконтролируемых внешних помехах, где цели управления определяются по части фазовых переменных указанной системы: задача переориентации тела, а также задача «прохождения» (с произвольной скоростью) телом заданного углового положения в пространстве. Показано, что предложенный в статье подход позволяет с единых позиций получить и дополнить как некоторые уже известные решения этих задач, так и предложить новое решение задачи переориентации посредством более простых управляющих моментов, включающее оценку (завышенную) соотношения допустимых уровней управляющих моментов и неконтролируемых помех. Приводятся результаты численных расчетов, показывающие эффективность применяемых управляющих моментов.

Рассматриваются прикладные аспекты использования предварительного ранжирования вершин ориентированного взвешенного графа. Особое внимание уделяется широкому использованию такого приема в разработке эвристических алгоритмов дискретной оптимизации. Задача ранжирования имеет непосредственное отношение к проблеме определения центральности в социальных сетях, обработке больших массивов данных реального мира, но как показано в статье, явно или косвенно используется при разработке алгоритмов решения прикладных задач в качестве начального этапа построения решения. Приводятся примеры использования предварительного ранжирования, в которых продемонстрировано повышение эффективности решения некоторых прикладных задач, имеющих широкое применение в математических методах оптимизации. Дано описание структуры первой фазы вычислительного эксперимента, которая связана с получением тестовых наборов данных. Полученные данные представлены взвешенными графами, которые соответствуют нескольким группам социальной сети ВКонтакте с числом вершин в диапазоне от 9000 до 24 тысяч участников. Показано, что структурные характеристики полученных графов по числу компонент связности существенно различаются. Продемонстрированы некоторые характеристики центральности (распределения степенных последовательностей), которые имеют экспоненциальный характер. Основное внимание уделяется анализу трех алгоритмов построения иерархии ранжирования вершин графов, предлагаются новые подходы к вычислению рангов вершин с использованием информации об активности пользователей в социальных сетях. Проводится сравнение распределений полученных совокупностей рангов. Вводится понятие сходимости алгоритмов ранжирования вершин графов, а также обсуждаются различия их использования при рассмотрении данных большой размерности и необходимости построения решения в случае учета только локальных изменений.

В качестве способа обеспечения секретности сообщений, переданных в зашифрованном виде по открытым каналам связи, при потенциальных атаках с принуждением к раскрытию ключей шифрования предложены алгоритмы и протоколы отрицаемого шифрования, которые разделяются на следующие типы: 1) с открытым ключом; 2) с разделяемым секретным ключом; 3) бесключевые. В статье представлены псевдовероятностные симметричные шифры, представляющие собой специальный вариант реализации алгоритмов отрицаемого шифрования. Обсуждается применение псевдовероятностного шифрования для построения специальных механизмов защиты информации, в том числе стеганографических каналов, носителями которых являются шифртексты. Рассмотрены способы построения поточных и блочных алгоритмов псевдовероятностного шифрования, реализующих совместное шифрование фиктивного и секретного сообщения таким образом, что формируемый шифртекст является вычислительно неразличимым от шифртекста, получаемого в результате вероятностного шифрования фиктивного сообщения. В качестве одного из критериев построения использовано требование неотличимости по шифртексту псевдовероятностного шифрования от вероятностного. Для реализации этого требования в схеме построения псевдоверояностных шифров используется шаг взаимно-однозначного отображения пар блоков промежуточных шифртекстов фиктивного и секретного сообщений в единый расширенный блок выходного шифртекста. Описаны реализации псевдовероятностных блочных шифров, в которых алгоритмы расшифровывания фиктивного и секретного сообщений полностью совпадают. Предложены общие подходы к построению псевдовероятностных протоколов бесключевого шифрования и рандомизированных псевдовероятностных блочных шифров, а также приведены конкретные реализации криптосхем данных типов.

Одной из основных функций системы защиты информации является идентификация любого субъекта доступа с целью возможности расследования инцидентов информационной безопасности (ИБ). В ходе выполнения процедур сканирования и эксплуатации уязвимостей квалифицированные злоумышленники регулярно производят смену идентифицирующих признаков. Подобные действия не только обфусцируют данные в подсистемах аудита, затрудняя возможность восстановления хронологии событий эксперту ИБ, но и ставят под сомнение неопровержимость доказательной базы причастности конкретного злоумышленника к конкретным противоправным действиям. В статье приводится анализ применения современных подходов идентификации злоумышленников в веб-ресурсах, не требующих проведения аутентификации для основной пользовательской аудитории (методы fingerprinting, анализ поведенческих признаков). Авторами рассмотрены признаки пользователя, которые могут быть использованы для решения задачи его последующей идентификации. С использованием широко применяемых в задачах веб-аналитики «тепловых карт», адаптированного профиля пользователя и компьютерной модели динамики системы «пользователь-мышь» авторами предлагается проводить идентификацию субъектов инцидента ИБ в общедоступных информационных ресурсах сети Интернет. Основная идея предполагаемого подхода заключается в том, что при построении тепловой карты должны учитываться не только плотность расположения данных, а также определяемые экспертом статистические параметры (дистанция градиента интенсивности, дистанция перекрытия и т.д.). Авторами предлагается учитывать и динамику действий пользователя (например, вычисление среднего времени ввода данных в интерактивные элементы). В статье содержится пошаговое описание каждого шага соответствующей методики, а также информация по ее практической реализации. Робастность данного подхода подтверждается практическим экспериментом. Предложенная методика не является универсальным средством идентификации злоумышленника – во внимание принимаются только ручные таргетированные атаки, не учитывается использование злоумышленниками cURL инструментов и т.д. Поэтому рекомендуется использовать его исключительно в дополнение к действующим системам защиты (WAF, IPS, IDS).

Статья посвящена методу обработки данных дистанционного зондирования, предназначенному для векторизации прямоугольных объектов по их ориентировочным положениям с автоматическим определением ориентации и соотношения сторон. В работе приведена формальная постановка задачи векторизации объекта заданной геометрической формы на изображении с использованием априорной информации о его пространственном положении. Метод позволяет создавать векторные представления прямоугольных геопространственных объектов по одной или нескольким устанавливаемым оператором опорным точкам и основан на кластеризации исходного изображения с использованием имеющихся спектральных каналов в качестве пространства признаков. Последующее преобразование Хафа использует локальное направление градиента яркости для оценки пространственной ориентации объекта и снижения вычислительной сложности преобразования, а также низкочастотную фильтрацию в процессе накопления значений для повышения робастности. Показана возможность модификации метода для обеспечения возможности векторизовать объекты любой аналитически задаваемой формы. При разработке метода учтены требования по минимизации времени векторизации для повышения комфорта работы оператора и обеспечения возможности предсказуемого контроля размера создаваемого векторного представления. Для экспериментального исследования разработанного метода использована тестовая выборка, содержащая более 700 объектов прямоугольной формы. В качестве критериев точности векторизации использованы средняя квадратическая ошибка позиционирования точек объекта, среднее угловое отклонение объекта в полярных координатах и коэффициент схожести площадных объектов Жаккара. Результаты эксперимента показывают снижение временных затрат на векторизацию на 2540% при использовании программной реализации разработанного метода без существенного снижения точности создаваемой картографической продукции.

В последние годы появляются видеошлемы с виртуальной реальностью и дополненной реальностью, завоевывая все большую популярность во многих отраслях. Видеошлемы обычно используются для развлечений, социального взаимодействия, образования, но также увеличивается процент применения их для работы в таких областях, как медицина, моделирование и симуляция. Несмотря на недавний выпуск многих типов видеошлемов, две основные проблемы препятствуют их повсеместному внедрению на основной рынок: чрезвычайно высокая стоимость и недостатки пользовательского интерфейса [1]. Иллюзия 3D-изображения в видеошлемах достигается с помощью технологии, называемой стереоскопией. Приложения стереоскопического изображения таковы, что скорость передачи данных, а в мобильных приложениях - хранилище быстро становится узким местом. Поэтому необходимы эффективные методы сжатия изображений. Стандартные методы сжатия изображений не подходят для стереоскопических изображений из-за дискретных различий между сжатыми и несжатыми изображениями. Проблема в том, что потеря в алгоритме сжатия изображений с потерями может размыть мельчайшие различия между изображениями «левого глаза» и «правого глаза», которые имеют ключевое значение для создания иллюзии 3D-восприятия. Однако для достижения более эффективного кодирования существуют различные методы кодирования, которые могут быть применены к стереоскопическим изображениям. Методы сжатия стереоизображений, которые можно найти в литературе, используют дискретное вейвлет-преобразование и алгоритм морфологического сжатия, применяемый к коэффициентам преобразования. В нашей статье представлен обзор и сравнение доступных методов сжатия стереоскопических изображений, так как до сих пор не существует метода, который считается наилучшим для всех критериев. Мы хотим проверить методы с пользователями, которые на самом деле будут потенциальными пользователями видеошлемов, и поэтому будут подвержены этим методам. Кроме того, мы сосредоточили наше исследование на недорогих видеошлемах потребительских уровня, которые должны быть доступны для большей части населения.